Карабашев Г.С. 1987. Флюоресценция в океане. Ленинград
реклама
This book is the only monograph aimed at studies and application of fluorescence in the ocean. A number of groundworks and ideas described are far from being developed to a level of practical usability after publication in 1987. At present, new prospects of fluorometry in studying and monitoring the ocean are emerging owing to radical improvement of the hardware elements, IT successes, and advances in understanding of marine fluorescence. Hopefully, the free access to the electronic copy of the monograph will be beneficial to these prospects and prevent from re-inventing the wheel. The copy is supplemented with the English translation of the content and figure captions in order to diminish the language barrier. Эта книга является единственной монографией, нацеленной на изучение и применения флуоресценции в океане. Далеко не все изложенные в ней заделы и идеи были доведены до практической готовности после 1987 г. Благодаря радикальному обновлению элементной базы, успехам информационных технологий и уточнению знаний о самом явлении ныне открываются новые перспективы флуориметрии в изучении и мониторинге океана. Автор надеется, что свободный доступ к электронной копии монографии окажется полезен для реализации этих перспектив и предостережет новичков от «изобретения велосипеда». Копия дополнена переводом оглавления и подписей к рисункам в помощь читателям, не владеющим русским языком. Ключевые слова: флуоресценция (флюоресценция); спектры поглощения, возбуждения и флуоресценции различных веществ в морской воде; растворенное органическое вещество (РОВ); хлорофилл, фотосинтетические пигменты; изменчивость физических характеристик флуоресценции в морях и океанах; флуоресцентные индикаторы динамики вод; контроль загрязнений моря по флуоресценции; морская флуориметрическая аппаратура; флуоресцентные лидары. Keywords: fluorescence; spectra of absorption, excitation and fluorescence of different substances in sea water; dissolved organic matter (DOM); chlorophyll, photosynthetic pigments; variability of intensity and physical characteristics of fluorescence in marine environment; fluorescent tracers of water dynamics; pollution control from fluorescence data; marine fluorometric instrumentation; fluorescence lidars. УДК 551.46 Рецензенты: д-р физ.-мат. наук К. С. Шифрин, канд. техн. наук Л. А. Левин Обобщены и систематизированы современные знания о флюоресценции в океане, методах ее измерения и возможностях практического использования. В основу положены оригинальные материалы наблюдений и данные отечественных и зарубежных авторов. Рассматриваются физическая природа и закономерности пространственно-временной изменчивости флюоресценции хлорофилла и растворенных органических веществ в морской воде, их связи с основными океанологическими процессами. Приведены данные о свечении веществ, выступающих как вероятные загрязнения вод океана. Излагаются вопросы методики контактного и дистанционного зондирования океана для изучения динамики его вод, первичного биологического продуцирования, контроля за санитарным состоянием моря. Для океанологов и специалистов по применению лазеров. In the book of G. S. Karabashev "Fluorescence in the oceans" contemporary knowledge on fluorescence in marine environment, its measurements techniques and the possibilities of using it in ocean science and technology are generalized and systematized. The book is based on author's materials and on information from soviet and foreign sources. The author considers the physical nature and peculiarities of space-time variability of fluorescence of chlorophyll and dissolved organic matter in sea water and their dependence on fundamental oceanological processes. The data on fluorescence of substances contaminating ocean waters are given. The fluoremetric methods of in situ and remote investigations of dynamics of the ocean, its primary biological productivity and sea water pollution are discussed. For marine scientists and laser application specialists. Монография Генрик Сергеевич Карабашев ФЛЮОРЕСЦЕНЦИЯ В ОКЕАНЕ Редактор 3. И. Мироненко. Художник В. В. Бабанов. Художественный редактор В. В. Быков. Технический редактор Н. Ф. Грачева. Корректор А. В. Хюркес ИВ № 1600 Сдано в набор 05.11.86. Подписано в печать 09.02.87. М-20423. Формат 60х90 Бумага типографская № 1. Гарнитура литературная. Печать высокая. Печ. л. 12.5. Кр.-отт. 12,5. Уч.-изд. л. 14,81. Тираж 660 экз. Индекс ОЛ-48. Заказ № 698. Цена 2 р. 70 к. Гидрометеоиздат. 199226. Ленинград, Беринга, 38. Ленинградская типография № 8 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 190000, Ленинград, Прачечный переулок, 6. Гидрометеоиздат, 1987 г. ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ........................................................................................................ 3 Глава 1. Основные закономерности флюоресценции растворов органических соединений ................................................................................................. 6 1.1. Физическая природа флюоресценции .................................................. 6 1.2. Физические характеристики флюоресценции .................................. 9 Глава 2. Приборы для морских флюориметрических наблюдений 16 2.1. Принципы измерения интенсивности и характеристик флюоресценции ........................................................................................................ 16 2.2. Морские флюориметры ................................................................... 20 2.3. Особенности аппаратуры для неконтактного флюоресцентного зондирования океана ............................................................................... 28 2.4. Приборы для изучения физических характеристик флюоресценции морской воды .......................................................................................... 33 Глава 3. Флюоресценция органических веществ, растворенных в морской воде ....................................................................................................................... 37 3.1. Физические характеристики флюоресценции растворенных органических веществ.......................................................................................... 37 3.2. Основные черты распределения интенсивности флюоресценции растворенных органических веществ в океане........................................... 46 3.3. Закономерности вертикального распределения интенсивности флюоресценции растворенных органических веществ в деятельном слое океана ..................................................................................................... 53 3.4. Соотношение между интенсивностью флюоресценции растворенных органических веществ и океанологическими характеристиками 61 3.5. Природа флюоресцирующих растворенных органических веществ морской воды .................................................................................. 70 Глава 4. Флюоресценция фотосинтетических пигментов в океане .... 76 4.1. Физические характеристики флюоресценции фотосинтетических пигментов ................................................................................................ 76 4.2. Суточный ритм флюоресценции пигментов фитопланктона . . 80 4.3. Закономерности вертикального распределения интенсивности флюоресценции хлорофилла в деятельном слое океана....................... 88 4.4. Особенности тонкой структуры вертикального распределения интенсивности флюоресценции хлорофилла .............................................. 99 4.5. Микрофлюктуации интенсивности флюоресценции хлорофилла 105 4.6. Мезомасштабная изменчивость флюоресценции хлорофилла . . 109 4.7. Связь интенсивности флюоресценции пигментов с биогидрохимическими и оптическими характеристиками морской среды . . . 125 4.8. Зависимость интенсивности флюоресценции хлорофилла от его концентрации и содержания фитопланктона в море ................................. 130 4.9. Флюоресценция хлорофилла как свойство живых частиц, взвешенных в морской воде................................................................................. 141 Глава 5. Флюоресценция антропогенных веществ ........................................ 144 144 5.1. Флюоресценция нефтей и нефтепродуктов....................................... 5.2. Флюоресценция промышленных отходов........................................... 150 154 5.3. Свойства флюоресцирующих красителей........................................... Глава 6. Применение флюоресценции при изучении и освоении океана 159 159 6.1. Изучение движений вод океана ............................................................ 6.2. Флюориметрическое изучение органического вещества в водах морей и океанов ............................................................................................. 167 6.3. Флюориметрическое методы в морских биологических исследованиях ........................................................................................................ 170 6.4. Возможности флюориметрического определения загрязнений в океане .........................................................,........................................... 181 6.5. Вопросы неконтактного флюоресцентного зондирования океана 185 Заключение ...................................................................... .................................... 191 Список литературы ................................................................. ................................ 193 Подписи к рисункам (англ.) CONTENTS PREFACE................................................................................................................... Chapter 1. Basic laws of fluorescence of solutions of organic substances ............ 1.3. The physical nature of fluorescence......................................................... 1.4. Physical characteristics of fluorescence.................................................. Chapter 2. Instrumentation for marine fluorometric observations 2.5. Measurements of intensity and characteristics of fluorescence ........... ........................................................................... 2.6. Marine fluorometers 2.7. Aspects of instruments for remote fluorometric sensing of the ocean .... 2.8. Instruments for determination of physical characteristics of sea water fluorescence ........................................................................................... Chapter 3. Fluorescence of organic substances dissolved in sea weater ................. 3.4. Physical characteristics of fluorescence of dissolved organic substabnces ...................................................................................................... 3.5. Key features of distributions of fluorescence intensity of dissolved organic substances in the ocean ....................................................................... 3.3. Patterns of vertical distributions of fluorescence intensity of dissolved organic substances in the active layer of the ocean.......................................... 3.6. Relation of fluorescence intensity of dissolved organic substances and oceanological characterisrics 3.7. The nature of fluorescing dissolved organic constituents of sea water.... Chapter 4. Fluorescence of photosynthetic pigments in the ocean Physical characteristics of fluorescence of photosynthetic pigments ......... 4.1. Diurnal rhythm of fluorescence of phytoplankton pigments 4.2. Patterns of vertical distributions of fluorescence intensity of chlorophyll in the active layer of the ocean ........................................................................ 4.3. Aspects of fine structure of vertical distributions of fluorescence intensity of chlorophyll.................................................................................... 4.4. Microfluctuations of fluorescence intensity of chlorophyll 4.5. Mesoscale variability of chlorophyll fluorescence 4.6. Relation of pigment fluorescnence intensity and biohydrochemical and optical ptoperties of marine environment 4.7. Dependence of fluorescence intensity of chlorophyll on its content and on phytoplankton abundance in the sea..................................................... 4.8. Chlorophyll fluorescence as a property of living particles suspended in sea water .................................................................................... Chapter 5. Fluorescence of anthropogenic substances ............................................... 5.1. Fluorescence of crude oil and petroleum derivatives ............................... 5.2. Fluorescence of industrial wastes............................................................ 5.3. Fluorescing dye tracers............................................................................. Chapter 6. Fluorescence in studies and ocean development 6.1. Ocean water dynamics ............................................................................. 6.2. Fluorometric investigation of organic matter in waters of seas and oceans............................................................................................ 6.3. Fluorometry in marine biological researches .......................................... 6.4. Prospects of fluorometric detection of ocean pollution ............................ 6.5. Issues of the remote sensing of the ocean CONCLUSION ................................................................. .................................... REFERENCES ......................................................................... ................................ FIGURE CAPTIONS 3 6 6 9 16 16 20 28 33 37 37 46 53 61 70 76 76 80 88 99 105 109 125 130 141 144 144 150 154 159 159 167 170 181 185 191 193 ПРЕДИСЛОВИЕ В последнее время быстро возросло число публикаций и расширился круг авторов, связанных с изучением флюоресценции в океане – одного из самых тонких и сложных оптических явлений. Этот интерес вызван перспективой использования измерений флюоресценции как основы экспрессных методов обнаружения и определения органических веществ в толще и на поверхности моря. Возможность неразрушающего контроля вещества в малых объемах с чрезвычайно низким – до 10-12 моль – порогом обнаружения, пригодность для раздельного определения веществ в их смеси (селективность), доступность необходимых технических средств – вот те достоинства флюориметрических методов анализа, благодаря которым они широко используются в науке и на производстве. Важные применения флюоресценции основаны также на ее способности служить источником сведений о процессах внутри природных тел в их естественном состоянии, в том числе в живых растениях и животных. Достоинства флюориметрических методов становятся решающим доводом в пользу попыток их внедрения в океанологические исследования, поскольку они позволяют изучать натуральную морскую воду без какой-либо предварительной подготовки. Только при этом условии экспрессность самих измерении флюоресценции дает возможность радикально повысить производительность определений органических веществ в океане и, следовательно, приблизить их к наблюдениям гидрофизических характеристик по временному и пространственному разрешению. Их сближению благоприятствует тот факт, что флюориметрические приборы выполнимы в виде зондов, погружаемых в толщу моря и способных измерять флюоресценцию в объемах воды с поперечником 10-2 м за малые доли секунды. Это значит, что флюориметрические методы изучения органических веществ позволяют получать детальную картину их распределения и изменчивости как раз в том интервале масштабов и периодов, который недоступен любым способам океанологических наблюдений, основанным на отборе и анализе проб воды. Такая возможность особенно ценна при освоении пищевых и минеральных ресурсов океана, для контроля санитарного состояния моря, при изучении движения морских вод и в других разделах океанологических исследований, где имеют дело с мелкодисперсными веществами, рассеянными в изменчивой водной среде. Неудивительно, что львиная доля публикаций о флюоресценции в океане и разработке флюориметрических методов его изучения связана с измерениями флюоресценции натуральной морской среды. Подобные исследования вовсе не сводятся к попыткам перенести на новое поприще солидный опыт люминесцентного анализа вещества, накопленный «сухопутными» науками. Обычно люминесцентный анализ имеет дело с образцами или препаратами 3 которые допустимо специально готовить, чтобы оптимизировать измерения флюоресценции. Флюориметрическое определение вещества в море методом зондирования исключает такой способ оптимизации и требует учитывать соотношение оптических свойств определяемой субстанции, самой воды и содержащихся в ней примесей различного происхождения. Измерения флюоресценции препаратов, образцов и других статичных разрозненных объектов выполняются в условиях, которыми допустимо управлять, тогда как объектами флюориметрических наблюдений в толще моря выступают непрерывно распределенные изменчивые субстанции, пребывающие в условиях, не поддающихся воздействию экспериментатора. Эти обстоятельства, общие цели и специфика океанологических измерений приводят к тому, что для успешного применения флюориметрических методов при освоении океана требуется выяснить закономерности флюоресценции морской среды и поступающих в нее веществ, а также разработать специальный аппаратурно-методический комплекс, т. е. решить задачи, которые ранее не возникали ни в одном из научных направлений. Эти задачи взаимосвязаны и поддаются решению лишь совместными усилиями океанологов, физиков и инженеров. Здесь кроется следующая трудность. Океанологи, заинтересованные в результатах внедрения флюориметрических методов, плохо осведомлены о флюоресценции как физическом явлении. Ею мало занимались даже специалисты по оптике моря, поскольку флюоресценция как энергетически слабый эффект не учитывается в большинстве задач этой дисциплины, нацеленных на вопросы подводной локации и связи, распространения солнечного излучения в море и др. Физики-оптики, изучающие флюоресценцию как физическое явление и заинтересованные в приложении своих результатов, слабо представляют проблемы океанологических исследований, особенно их нефизических разделов, где флюоресцентные методы особенно перспективны. Наконец, инженеры-разработчики океанологической аппаратуры – нуждаются в сотрудничестве с физиками и океанологами на различных стадиях создания и освоения морской флюориметрической техники. Указанная трудность типична для междисциплинарного направления научной деятельности, возникшего на стыке далеких друг от друга областей знаний. Преодолеть ее нелегко, в частности, потому, что оригинальные публикации, прямо связанные с вопросами флюоресценции в океане, рассеяны по журналам и сборникам самой разной направленности – от квантовой электроники до морской биологии, а работы, обобщающие новейший опыт морских исследований флюоресценции и ее применений, до сих пор отсутствуют. Автор видит свою задачу в том, чтобы восполнить этот пробел и помочь пользователям и создателям флюориметрических методов быстрее освоиться с новыми знаниями и средствами изучения океана. Книга начинается вводной главой о природе и закономерностях флюоресценции. Глава 2 посвящена аппаратуре, которая применялась при изучении флюоресценции в океане или спе4 циально разрабатывалась для осуществления морских применений флюоресцентных методов. В главах 3 и 4 даны сведения о характеристиках, изменчивости и зависимости от факторов среды флюоресценции растворенных органических веществ и фотосинтетических пигментов (хлорофилла) фитопланктона. Эти вещества широко распространены в океане. В главе 5 описывается флюоресценция веществ, загрязняющих океан, а также свечение красителей, используемых для трассировки движений морской воды. Глава 6 посвящена океанологическим применениям флюоресценции: изучению динамики вод океана, решению отдельных вопросов гидрохимии, эколого-физиологическому изучению морского фитопланктона, оценке биологической продуктивности океана, контролю санитарного состояния морской среды и возможностям неконтактного флюоресцентного зондирования поверхностного слоя океана. В заключении намечены направления дальнейших исследований флюоресценции в океане. Во всех разделах книги предпочтение отдается результатам и методам, основанным на измерениях флюоресценции непосредственно в океане или в пробах воды, не подвергавшихся предварительной обработке. В книге не рассматриваются предложения об аналитическом использовании некоторых особенностей флюоресценции, наблюдаемых при взаимодействии лазерного излучения с веществом, если они неприменимы к задачам исследования океанологических явлений непосредственно в толще моря. Вопросы флюоресцентного исследования препаратов из образцов, добытых в толще океана, не затрагиваются вовсе, так как их решения не выходят за рамки традиционного люминесцентного анализа и не обещают существенных сдвигов в развитии средств изучения океана. Из-за ограниченного объема книги в ней не отражено содержание многих оригинальных работ, но автор стремился упомянуть возможно большее число имен с тем, чтобы помочь сориентироваться заинтересованному новичку. Не намереваясь устанавливать приоритеты, автор полагал необходимым подтвердить пионерский характер ряда отечественных работ, так как ссылки на них неоправданно редки в современных зарубежных публикациях. Автор благодарен членам-корреспондентам АН СССР М. Е. Виноградову и А. С. Монину, доктору физико-математических наук К. С. Шифрину, доктору географических наук М. В. Козлянинову за поддержку его исследований, а также докторам наук О. К. Бордовскому, В. Т. Паке, В. В. Фадееву, К. Н. Федорову, кандидатам наук О. Д. Бекасовой, В. А. Бубнову, О. И. Кобленц-Мишке, С. В. Люцареву, К. В. Морошкину, В. Д. Поздынину и другим участникам совместных экспедиций за критические замечания и материалы гидрофизических, биологических и гидрохимических наблюдений, которые помогли изучению флюоресценции в океане. Большой вклад в ее исследование внесли сотрудники оптической лаборатории Атлантического отделения Института океанологии АН СССР, коллективу которой автор выражает искреннюю признательность 5 Глава 1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФЛЮОРЕСЦЕНЦИИ РАСТВОРОВ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ 1.1. Физическая природа флюоресценции Согласно определению Видемана – Вавилова, люминесценцией называют свечение тел, избыточное по отношению к их тем- Рис. 1.1. Классификация явлений люминесценции. пературному излучению и имеющее длительность, много большую периода световых колебаний, т. е. 10-15 с. Такое свечение возникает во многих телах, если к ним подводится энергия в форме звука,, радиоактивного излучения, света, электрического тока и т. д. Механизм преобразования энергии в люминесценцию тел зависит от их строения и вида воздействующей на них энергии. Упрощенная классификация типов люминесценции может быть представлена в виде схемы на рис. 1.1. Среди этих типов выделяется фотолюминесценция, возбуждаемая электромагнитным излучением оптического диапазона частот. Для морских применений фотолюминесценции существенна та его часть, которая отвечает длинам волн излучения 200–740 нм, т. е. ультрафиолетовой (УФ) и видимой. (400–740 нм) областям спектра. Инфракрасное (ИК) излучение сильно поглощается водой как таковой, и поэтому свечение тел в ИК-области вряд ли представляет интерес при изучении оптических явлений в море. По сравнению с иными типами люминесцентного свечения фотолюминесценция изучена лучше и применяется шире благодаря доступности необходимых технических средств, 6 возможности управлять ее возбуждением и получать информацию о строении и свойствах вещества. Применительно к молекулам органических соединений последнее обусловлено тем, что фотолюминесценция возникает вследствие изменений энергии внешних валентных электронов электронной оболочки молекулы. Они связывают ее части, через них молекула взаимодействует со своим окружением. Эти изменения происходят порциями, т. е. квантованы. При поглощении кванта излучения молекула переходит с нижнего энергетического уровня Е1 на более высокий Е2 и запасает энергию hυ = E1 − E 2 , где h – постоянная Планка и υ – частота световых колебаний. Последняя связана с длиной волны λ и скоростью света соотношением λυ = c , так что меньшим квантам отвечает излучение с большей длиной волны. Наибольшие кванты молекула приобретает или отдает при переходе электрона из одной области локализации (орбитали) в другую. На порядок меньшие кванты отвечают переходам между колебательными состояниями электрона и наименьшие – между вращательными. Изменения внутренней энергии молекул удобно представить в виде схемы, на которой каждый горизонтальный отрезок отвечает некоторому уровню энергии, а расстояния между отрезками пропорциональны квантам энергии, присущим переходам молекулы с одного энергетического уровня на другой. Упрощенная схема энергетических уровней сложной молекулы с внешней парой электронов приведена на рис. 1.2. Такие молекулы могут иметь два сорта энергетических уровней – синглетные (S) и триплетные (Т). Т-уровни имеют меньшую энергию по сравнению с синглетными. В сложных молекулах каждый электронный уровень объединяет большое число колебательных подуровней, а последние – вращательных, так что энергетические переходы между электронными состояниями оказываются квазинепрерывными (размытыми). В нормальных условиях большинство молекул вещества пребывает в наинизшем энергетическом состоянии S0. При освещении вещества часть квантов излучения поглощается, и молекула, поглотившая квант, переходит из основного энергетического состояния S0 в одно из возбужденных S1, S2 и т. д. в зависимости от энергии кванта. Вслед за переходом в возбужденное состояние начинается самопроизвольная (спонтанная) дезактивация молекулы, когда из-за столкновений с окружающими частицами она теряет часть запасенной энергии и переходит на низший уровень одного из возбужденных состояний (вертикальные пунктирные стрелки на рис. 1.2). Вследствие внутренней конверсии молекула оказывается на нижнем колебательном уровне состояния S1. Благодаря интеркомбинационной конверсии возможен переход молекулы и на один из триплетных уровней с последующей диссипацией энергии триплетных состояний вплоть до нижнего колебательного уровня состояния Т1. Возвращение молекулы в основное состояние с нижнего возбужденного синглетного уровня S1 сопровождается испусканием 7 свечения, которое называют флюоресценцией. Аналогичный переход с уровня Т1 порождает свечение, именуемое фосфоресценцией. Возможна и безызлучательная дезактивация уровней S1 и Т1 из-за процессов тушения. Обе разновидности фотолюминесценции – флюоресценция и фосфоресценция – могут излучаться одновременно одним и тем же веществом, но при энергетических переходах между уровнями различной природы. Последнее проявляется Рис. 1.2. Упрощенная схема уровней энергии многоатомной молекулы. S и Т – синглетные и триплетные уровни; А и Б – переходы при поглощении света, отвечающие коротко- и длинноволновой полосам поглощения; И.К – интеркомбинационная конверсия (безызлучательные переходы между электронными состояниями разных мультиплетностей с одинаковой полной энергией); ВК – внутренняя конверсия (то же между электронными состояниями одинаковой мультиплетности). Двойной пунктир – диссипация энергии верхних колебательных уровней возбужденного состояния из-за столкновений с окружающими молекулами. прежде всего в том, что длительность фосфоресценции после прекращения возбуждения светом намного превышает длительность послесвечения вещества в случае флюоресценции. Излучательные переходы испытывают сильную конкуренцию со стороны безызлучательных, вследствие чего фосфоресценция должна быть гораздо менее интенсивной по сравнению с флюоресценцией. Поэтому фосфоресценцию жидких растворов в нормальных условиях наблюдают крайне редко. Итак, изучая флюоресценцию, имеют дело с излучением тел, которое возбуждается светом и гаснет спустя 10-9–10-7 с после прекращения возбуждения. При обсуждении оптических явлений в океане иногда путают флюоресценцию с самопроизвольным испусканием света морскими растениями и животными. Оно известно с античных времен и наблюдается в ночном море в виде отдельных вспышек или сплошного свечения, а изредка – в виде светящихся фигур с размерами до многих километров. Свечение морских организмов является био8 люминесценцией (рис. 1.1), на него расходуется энергия химических связей. Само по себе испускание биолюминесценции происходит приблизительно так же, как и фотолюминесценции, т. е. при переходе центров свечения с возбужденных на основные энергетические уровни, но механизмы возбуждения био- и фотолюминесценции совершенно различны, и потому эти типы люминесценции коренным образом отличаются друг от друга своими характеристиками и распространенностью. 1.2. Физические характеристики флюоресценции Схемы, подобные приведенной на рис. 1.2, появились при интерпретации закономерностей фотолюминесценции на основе квантовой теории. Строгий расчет характеристик свечения многоатомных молекул возможен далеко не всегда из-за математических трудностей и потому закономерности флюоресценции исследуются прежде всего экспериментальными методами. Любые сведения о характеристиках и закономерностях флюоресценции получают через измерения ее интенсивности. В исследованиях фотолюминесценции под интенсивностью обычно понимают величину, пропорциональную количеству квантов излучения (фотонов), испускаемых или поглощаемых веществом в единицу времени. Вследствие размытости энергетических переходов между первым возбужденным и основным состоянием молекул интенсивность флюоресценции имеет спектральный ход, даже если возбуждение ведется строго монохроматическим излучением (линией). Зависимость интенсивности флюоресценции от длины волны Φ(λ ) называется спектром флюоресценции и является одной из основных ее физических характеристик. Положение спектра флюоресценции на шкале длин волн и его форма зависят от строения вещества и внешних условий. Простейшие спектры флюоресценции имеют вид плавных кривых с единственным максимумом. Мерой протяженности таких спектральных полос служит полуширина – интервал длин волн, в котором интенсивность свечения превышает половину интенсивности в максимуме полосы. Обычно полуширина спектров флюоресценции составляет от единиц до десятков нанометров, а у сложных природных веществ она может превышать 100 нм. Полуширина вместе с длиной волны максимума – это наиболее употребительные численные характеристики спектров флюоресценции. Поскольку поглощение света является первичным актом всякой флюоресценции, важной ее характеристикой является зависимость показателя поглощения флюоресцирующего вещества от длины волны излучения κ (λ ) , или спектр поглощения. Спектры поглощения сложных молекул в нормальных условиях представляют собой бесструктурные полосы, размытые по тем же причинам, что и спектры их свечения. У молекул с энергией перехода из основного в первое возбужденное состояние, отвечающей видимой области спектра, можно наблюдать две полосы поглощения. 9 Первая из них отвечает указанному переходу (Б на рис. 1.2), лежит в видимой области и служит причиной окраски растворовтаких молекул. Вторая находится в УФ-области спектра и порождается переходом из основного во второе возбужденное состояние (А на рис. 1.2). Не каждый поглощенный квант возбуждающего излучения порождает квант флюоресценции, причем соотношение между ними неодинаково в разных участках спектра. Характеристикой эффективности возбуждения флюоресценции излучением разного спектрального состава служит спектр возбуждения E (λ ) . Он показывает, как меняется интенсивность свечения в узком; фиксированном спектральном участке при изменении длины волны возбуждающего излучения и постоянной интенсивности последнего. Численной мерой эффективности возбуждения является отношение числа квантов флюоресценции nf к числу квантов возбуждающего излучения, поглощенных веществом, ne, или квантовый выход В = nf /nе. Аналогичное отношение энергий флюоресценции и поглощенного излучения называют энергетическим выходом. В простейшем случае, когда излучательный переход из нижнего возбужденного синглетного состояния в основное является единственным путем диссипации энергии возбуждения и испускание Каждой молекулы не зависит от остальных, скорость убыли возбужденных молекул при их возвращении в основное состояние пропорциональна количеству возбужденных молекул dn/dt = –mf n, (1.1) откуда число возбужденных молекул спустя время t после прекращения возбуждения n = n0exp(–mf t) (1.2) где n0 – число возбужденных молекул в момент прекращения возбуждения. Тогда квантовая интенсивность флюоресценции Ф = dn/dt = mf n0exp(–mf t) = Ф0exp(–mf t) (1.3) уменьшается по экспоненциальному закону после прекращения возбуждения. Время, за которое интенсивность уменьшается в е раз, (1.4) τ = 1/mf называют излучательным временем жизни флюоресценции. Когда с испусканием флюоресценции конкурируют безызлучательные переходы, ее время жизни (1.5) τ = 1/(ma + mb + mq + mf) где ma, mb, mq – константы скорости первого порядка процессов внутренней и комбинационной конверсии и тушения соответственно. В стационарном состоянии интенсивность поглощения возбуждающего излучения равна скорости убыли возбужденных молекул за счет всех процессов их дезактивации Фe = (ma + mb + mq + mf) S, (1.6) 10 где S – концентрация синглет-возбужденных молекул. Но интенсивность флюоресценции Ф = mf S, и по определению квантового выхода В = Ф/Фе. Следовательно, B = m f ( m f + ma + mb + mq ) −1 = τ / τ f (1.7) Выражение (1.7) показывает, что квантовый выход флюоресценции не достигает 1,0 и время жизни возбужденного состояния меньше излучательного времени жизни флюоресценции. Согласно правилу Стокса, длина волны флюоресценции больше длины волны возбуждающего излучения и спектр флюоресценции сдвинут в длинноволновую область по отношению к спектру поглощения. Причина в том, что время жизни возбужденного состояния флюоресцирующей молекулы очень велико по сравнению с длительностью самих актов поглощения и испускания, и за это время часть энергии возбуждения растрачивается на нагревание среды. При нормальной температуре хотя бы малая часть молекул находится на первом колебательном уровне основного состояния(рис. 1.2), и кванты возбуждающего излучения, поглощенные при переходе с этого на более высокие уровни, могут оказаться меньше квантов флюоресценции, испускаемых при переходе между нулевыми колебательными уровнями первого и основного состояний. Это значит, что некоторая доля фотонов флюоресценции будет обладать меньшими длинами волн по сравнению с поглощенными фотонами и спектральная полоса флюоресценции частично перекроется с длинноволновой полосой поглощения. Флюоресценция в пределах полосы поглощения называется антистоксовой. Спектральные закономерности флюоресценции сложных молекул иллюстрируют спектры на рис. 5.5, принадлежащие уранину и родамину С – типичным флюоресцирующим красителям с ярким свечением. Поскольку за время возбуждения почти все молекулы вещества успевают перейти на нижний колебательный уровень первого возбужденного состояния независимо от спектральной области возбуждения, форма спектральной полосы флюоресценции обусловлена распределением колебательно-вращательных уровней основного состояния по энергии и не зависит от длины волны возбуждающего излучения. К примеру, спектры свечения уранина или родамина С на рис. 5.5 не изменятся, если перейти от возбуждения в полосе «а'» к возбуждению в полосе «а». За редким исключением, отступление от этой закономерности указывает на присутствие нескольких флюоресцирующих соединений в растворе. В гомогенных растворах квантовый выход флюоресценции постоянен в пределах всего спектра поглощения вплоть до точки на шкале длин волн, где он перекрывается с полосой флюоресценции и где квантовый выход резко уменьшается. По определению квантового выхода для случая монохроматического возбуждения и измерения флюоресценции в узком спектральном интервале ее интенсивность Ф = BФп, где Фп –интенсивность 11 поглощения. Последняя может быть найдена из закона Бугера– Ламберта–Бера Фп = Ф0[1 – exp(-kcl)], (1.8) если параллельный пучок с начальной интенсивностью Ф0 возбуждает плоскопараллельный слой раствора толщиной l, в единице объема которого содержится с граммов флюоресцирующего вещества с удельным показателем поглощения k. Тогда Ф = Ф0B[1 – exp(-kcl)]. (1.9) В сильно разбавленных растворах |kcl| << 1, (1.10) и потому после разложения экспоненты (1.9) в ряд по степеням (– кс1) получим приближенное соотношение Ф = Ф0Blkc. (1.11) Оно служит основой количественного флюоресцентного анализа и показывает, что чувствительность флюориметрического определения вещества зависит от мощности возбуждения. Она может быть сделана очень большой посредством современных высокоинтенсивных источников света. Именно поэтому флюориметрический количественный анализ позволяет измерять гораздо более низкие концентрации вещества по сравнению с методами, основанными на измерении показателя поглощения κ = kc в (1.8). Способность последних обнаруживать предельно низкие концентрации вещества обусловлена не интенсивностью излучения как таковой, а точностью фотометрирования Фп и Ф0 в (1.8). В обычных спектрометрах она такова, что при длине кювет до 10 см порог обнаружения составляет 10-8 моль, что на 3–4 порядка превышает достижимый порог обнаружения вещества средствами флюориметрического анализа. Из (1.10) следует, что нарушение условия флюориметрической пропорциональности зависит от показателя поглощения раствора и толщины возбуждаемого слоя и происходит вследствие поглощения флюоресценции в самом растворе («эффект внутреннего фильтра»). В морской среде излучение гаснет не только вследствие поглощения, но и рассеяния. В этом случае условие флюориметрической пропорциональности (1.10) следует видоизменить: ε l << 1, где показатель ослабления ε = σ + κ и σ – показатель рассеяния. Соотношение σ и κ в океане обладает хорошо выраженным спектральным ходом, их минимальные значения составляют 10-2 м-1, а максимальные могут превышать 101 м-1. Отсюда следует, что повышение чувствительности морских флюориметрических измерений за счет увеличения толщины возбуждаемого слоя нежелательно, и если она превышает 10-2 м, могут понадобиться поправки на «эффект внутреннего фильтра». Согласно (1.11) при постоянных концентрации вещества и мощности возбуждения интенсивность свечения однокомпонентного раствора пропорциональна произведению показателя поглощения 12 на квантовый выход, постоянный во всей антистоксовой области спектра. Поэтому в таком растворе спектр возбуждения с точностью до постоянного множителя воспроизводит спектральный ход показателя поглощения. Важными характеристиками флюоресценции, как и всякого оптического излучения, являются степень поляризации и ее спектральное распределение. Электрический и магнитный векторы электромагнитного излучения колеблются поперек направления его распространения во взаимно перпендикулярных плоскостях. В неполяризованном (естественном) излучении электрический вектор принимает произвольные направления в сечении светового пучка в смежные моменты времени. Поляризованное излучение отличается тем, что электрический вектор приобретает некое преимущественное направление в сечении пучка. В простейшем случае полной линейной поляризации этот вектор колеблется в плоскости с неизменной ориентацией в пространстве, и его проекции на сечение пучка в разные моменты времени ложатся на одну и ту же линию. Имеются устройства с оптическими элементами, которые не гасят только те колебания электрического вектора в естественном излучении, которые лежат в плоскости, ориентированной определенным образом относительно оправы такого элемента. Подобные устройства поляризуют естественный свет и используются как анализаторы поляризованного излучения. Если его электрический вектор лежит в указанной плоскости анализатора, то интенсивность пропущенного им излучения ФP максимальна. Если плоскости анализатора и вектора перпендикулярны друг другу, то полностью линейно поляризованное излучение не будет пропущено анализатором. Когда оно поляризовано частично, интенсивность излучения после анализатора ФN при том же положении плоскостей примет некоторое наименьшее значение по сравнению с ситуациями, в которых угол между плоскостями отличен от прямого. Чтобы описать частично поляризованное излучение, вводят понятие степени поляризации P = (ФP – ФN)/(ФP + ФN) Поляризация излучения характеризует его анизотропность. Поляризованное излучение испускается анизотропными источниками или средами. Причиной появления поляризованной флюоресценции выступают либо собственная анизотропность среды (например, за счет преимущественной ориентации анизотропных молекул), либо анизотропность, наведенная возбуждающим излучением. Например, при облучении раствора" анизотропных хаотично ориентированных молекул неполяризованным излучением предельная степень поляризации Р0 флюоресценции составляет 1/3, а поляризованным – 1/2. Когда осцилляторы поглощения и испускания, отвечающие тем или иным энергетическим переходам в молекуле, имеют разную ориентацию, величина Р0 убывает, достигая минимума при их взаимной перпендикулярности. Измерения степени 13 поляризации флюоресценции при разных Длинах волн возбуждения позволяют определять природу полос поглощения флюоресцирующего вещества. Существуют факторы, разрушающие собственную или наведенную анизотропность флюоресцирующих сред и, следовательно, приводящие к деполяризации свечения. В растворах с малой вязкостью возможно произвольное изменение ориентации молекул вследствие их вращения за время жизни возбужденного состояния. Излучение таких молекул будет полностью деполяризовано даже при возбуждении поляризованным излучением (вращательная деполяризация флюоресценции). Ее влияние зависит от вязкости среды, времени жизни возбужденного состояния и размеров (формы) молекул. У сферических молекул при возбуждении линейно поляризованным излучением степень поляризации описывается выражением 1 1 ⎛ 1 1 ⎞⎛ τRT ⎞ − =⎜ − ⎟⎜ 1 + ⎟ ηV ⎠ P 3 ⎜⎝ P 0 3 ⎟⎠⎝ (1.13) где Р0 – степень поляризации в отсутствие деполяризации; η – коэффициент вязкости; V–молярный объем молекулы; T – температура и R – газовая постоянная. Соотношение (1.13) может быть использовано для оценки характеристик вещества по измерениям его флюоресценции. Связь флюоресценции органических молекул с их внешними электронами объясняет пластичность ее физических характеристик, изменчивость под влиянием окружающих условий. Она проявляется в том, что спектры свечения могут зависеть от агрегатного состояния вещества, природы растворителя и других факторов. От этих условий зависит и сама способность вещества флюоресцировать, т. е. квантовый выход. Его уменьшение с ростом температуры раствора, концентрации примесей или самого флюоресцирующего вещества называют тушением флюоресценции. Температурное тушение флюоресценции растворов варьирует в широких пределах в зависимости от свойств флюоресцирующего вещества и растворителя. Флюоресценция некоторых соединений полностью погашена при комнатной температуре, но разгорается при ее понижении. Напротив, имеются вещества, квантовый выход которых почти постоянен при изменении температуры на десятки градусов. Концентрационное, или самотушение наблюдается при сравнительно высоких содержаниях флюоресцирующего вещества в растворе (не ниже 10-3–10-2 моль/л) и объясняется переносом энергии возбуждения при неупругих столкновениях молекул или образованием нефлюоресцирующих димеров. Эффективными тушителями флюоресценции являются кислород и ионы галогенов. В растворителях, насыщенных воздухом и содержащих до 10-3 моль/л кислорода, тушение флюоресценции им может варьировать от единиц до десятков процентов в зависимости от интенсивности поглощения в первом синглет-синглетном переходе и времени жизни возбужденного состояния (чем оно больше, тем сильнее тушение кислородом). 14 Несмотря на то что квантовомеханическое истолкование флюоресценции и ряд эмпирических данных предполагают зависимость свечения молекул от их структуры, попытки предсказать характеристики флюоресценции того или иного органического соединения на основании сведений о его строении наталкиваются на серьезные трудности. Установлены лишь некоторые правила, которым подчиняется связь флюоресценции со структурой молекул. Обычно интенсивная флюоресценция с малым излучательным временем жизни свойственна органическим соединениям, у которых низшее возбужденное синглетное состояние относится к ( π *– π )-типу. Сама возможность возбуждения флюоресценции в УФ- и видимой областях спектра обусловлена наличием двойных сопряженных связей в молекуле, удлинение цепочки таких связей сдвигает спектры свечения и поглощения в сторону больших длин волн. При прочих равных условиях «жесткие» молекулы флюоресцируют ярче сравнительно с молекулами, группы атомов в которых имеют возможность относительного перемещения. Изложенные представления о природе и характеристиках флюоресценции дают лишь очень упрощенную картину этого явления. Подробные сведения о флюоресценции как физическом явлении и ее применениях в науке и технике можно получить в специальной литературе [4, 41, 62, 63 и др.]. Глава 2. ПРИБОРЫ ДЛЯ МОРСКИХ ФЛЮОРИМЕТРИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИИ 2.1. Принципы измерения интенсивности и характеристик флюоресценции Несмотря на определенные успехи теоретического истолкования явлений люминесценции, основным источником сведений о ее закономерностях остается эксперимент. Это тем более справедливо, когда речь идет о флюоресценции морской среды, многие свойства которой еще на познаны. Из содержания главы 1 ясно, что для исчерпывающего описания флюоресценции вещества требуется определить ряд параметров и функций, служащих ее физическими характеристиками. Задача изучения флюоресценции в океане усложняется тем, что должны быть оценены распределения и изменчивость указанных параметров и функций в чрезвычайно широком диапазоне пространственных масштабов и временных интервалов – от долей миллиметров и секунд до тысяч километров и многих лет. В силу этих обстоятельств вопросы аппаратурно-методического обеспечения исследования и применений флюоресценции в океане играют исключительно важную роль. Среди различных видов флюориметрических измерений простейшим является измерение интенсивности свечения. Приборы для определения интенсивности свечения называются флюориметрами, их основой служит одна из трех оптических схем на рис. 2.1 [41]. Любая из них включает источник возбуждения Л, первичный Ф1 и вторичный Ф2 светофильтры, кювету К или держатель образца и приемник флюоресценции П. Назначение первичного светофильтра – из спектра лампы выделить участок в полосе поглощения исследуемого образца, задержав излучение лампы в полосе флюоресценции. Напротив, вторичный светофильтр должен обладать наибольшим пропусканием в полосе свечения и полностью поглощать излучение вне ее. Пару таких фильтров называют «скрещенными», они обеспечивают подавление ложного сигнала приемника от возбуждающего излучения, которое намного ярче флюоресценции и непременно рассеивается на неоднородностях образца, деталях прибора, а также способно вызывать флюоресценцию кюветы и других элементов его оптической схемы. Чтобы максимально ослабить ложные сигналы подобного происхождения и полностью использовать свет от источника, в схемы флюориметров вводят дополнительные элементы, концентрирующие возбуждающее излучение в образце. Если источник (например, лазер) дает направленное монохроматическое излучение, оно может быть послано непосредственно в образец. Схема а) на рис. 2.1 предъявляет повышенные требования к «скрещенности» светофильтров и отсутствию флюоресценции ма16 териала кюветы и вторичного светофильтра. Поэтому она используется для работы с яркосветящимися образцами и едва ли найдет применение в морских флюориметрах. По схеме б) строят приборы для измерения интенсивности флюоресценции сильно поглощающих образцов, когда свечение должно приниматься с поверхности, на которую падает возбуждающее излучение. Такая схема понадобится, например, при изучении нефтяных пленок на водной поверхности. Слабо поглощающие разбавленные растворы изучают Рис. 2.1. Оптические схемы флюориметров для измерения интенсивности флюоресценции. а –в «проходящем свете»; б – при возбуждении с поверхности; в – под углом 90°. на флюориметрах, собранных по схеме в). В приборах, построенных по этой схеме, легче избавиться от ложных сигналов и не столь жестки требования к «скрещенности» светофильтров. Поэтому она особенно пригодна для высокочувствительных приборов и служит основой большинства морских флюориметров. В зависимости от назначения флюориметра в качестве источников возбуждения используются лампы накаливания, ксеноновые или ртутные лампы высокого и сверхвысокого давления, люминесцентные лампы или импульсные ксеноновые лампы. В последнее время нередко используются лазеры. Применяются светофильтры в основном двух типов – абсорбционные (цветное стекло) или интерференционные, а также их комбинации. Кюветы флюориметров, собранных по схеме в, обычно имеют квадратное сечение и типичные размеры 10*10*30 мм. Ранее применялось исключительно визуальное фотометрирование, теперь применяют объективные фотометры различных конструкций, назначения и сложности, а самым распространенным типом фотоприемника являются фотоумножитель или фотодиод. 2 Заказ № 698 17 Благодаря изотропности флюоресценции нет принципиальных ограничений на выбор угла между осями пучков возбуждающего излучения и приемника свечения. Сравнительно недавно при изучении флюоресценции природных сред начали применять измерители интенсивности флюоресценции, у которых рабочий объем (область пересечения пучков возбуждения, и флюоресценции) удален от прибора на расстояние, много большее размеров самого флюориметра. Такие приборы позволяют веста неконтактное, флюоресцентное зондирование природных объектов и получили наименование флюоресцентных лидаров. По своей компоновке, они близки к флюориметрам, собранным по схеме б рис. 2.1 и требуют применения особо мощных источников возбуждения и высокочувствительных фотоприемников. Для океанологических применений лидары ценны тем, что дают возможность изучать распределение вещества без погружения каких-либо устройств в море. Интенсивность флюоресценции зависит от строения вещества и параметров источника возбуждения и сама по себе не является характеристикой образца. По этой причине градуировка флюориметров в единицах энергетической яркости или силы света бессмысленна, и обычно они калибруются и сравниваются между собой по растворам флюоресцирующих органических соединений. Чаще всего используются флюоресцеин, его натриевая соль – уранин, родамины С или Ж и хинин. Спектры поглощения и флюоресценции первых трех из них лежат в видимой области (рис. 5.5), а у хинина полоса поглощения занимает ближнюю УФ-область спектра и свечение приходится на сине-фиолетовую область [41, 62]. Для калибровки флюориметров в УФ-области спектра нет столь же доступных и изученных веществ. Применение указанных соединений для приготовления растворов с целью калибровки морской флюориметрической аппаратуры предъявляет к ним ряд дополнительных требований: температурная стабильность свечения, стойкость при хранении на свету и др. Для родамина С и уранина такие сведения приведены в главе 5. Спектры свечения и возбуждения измеряются спектрофлюориметрами. Они строятся по тем же схемам, что и измерители интенсивности, но вместо первичного и вторичного светофильтров вводятся соответствующие монохроматоры с дополнительными оптическими элементами. Из-за этого при прочих равных условиях приходится использовать в несколько раз более мощные источники возбуждения по сравнению с измерителями интенсивности. Современные спектрофлюориметры представляют собой сложные оптикоэлектронные устройства, снабженные микропроцессорами, графопостроителями, системами сканирования спектров и регистрации данных. Они обеспечивают автоматизированное построение «истинных» спектров, исправленных на спектральный ход чувствительности фотоприемника и дисперсии монохроматора, спектральный ход квантовой интенсивности возбуждения и другие воз18 можные причины систематических погрешностей, возникающих при регистрации спектров свечения и возбуждения. Приборы для измерения времени жизни флюоресценции τ или определения законов ее кинетики называют флюорометрами. Они бывают фазовыми и импульсными. Их оптические схемы аналогичны флюориметрам или спектрофлюориметрам, отличия касаются устройства источника возбуждения и фотоприемника. Показания фазовых флюорометров трудноинтерпретируемы, когда затухание и разгорание флюоресценции неэкспоненциально [4]. Оно вероятно в веществах сложного состава, и, поскольку в натуральной морской воде имеют дело с такими веществами, построение морских фазовых флюорометров едва ли оправдано. Импульсные флюорометры в принципе свободны от этого ограничения. Их действие основано на зависимости формы импульса флюоресценции, возбуждаемой δ -импульсом, от ее времени жизни τ или кинетики свечения [4]. Если флюоресценция затухает по закону Ф(t) после возбуждения δ -импульсом, то на выходе фотоприемника с характеристической функцией I(t) появится электрический импульс t V (t ) = ∫ I (t ) Φ (t − t ′) dt (2.1) 0 Когда возбуждающий импульс имеет конечную длительность, I(t) определяется частотной характеристикой приемника и формой импульса возбуждения. По измеренным V(t) и I(t) можно определить Ф(t), подбирая ее так, чтобы точность восстановления V(t) при данных I(t) по (2.1) была наибольшей. В качестве источников возбуждения в импульсных флюорометрах применяют специальные лампы или лазеры. Для определения т импульсным методом нужны источники с длительностью светового импульса несколько наносекунд и довольно сложная электронная аппаратура, способная регистрировать форму таких импульсов. Ныне такая аппаратура освоена, и различные варианты импульсных флюорометров неоднократно описывались в литературе. Для измерения поляризации флюоресценции, возбуждаемой поляризованным излучением, применяют флюориметры и спектрофлюориметры с вращающимися поляризаторами и анализаторами в пучках источника и фотоприемника. При вертикальной установке поляризатора в пучке источника измеряют сигнал приемника при вертикальном ФP и горизонтальном ФNположениях анализатора перед фотоприемником и находят степень поляризации флюоресценции P = (ФP – A ФN)/(ФP + A ФN) (2.2) где А – относительное пропускание монохроматора флюоресценции для вертикально и горизонтально поляризованного излучения. Поляризационные измерения трудоемки и сопряжены с опасностью появления дополнительных погрешностей. 2* 19 Более подробные сведения о способах и технике флюориметрических измерений можно найти в монографиях Паркера [62], Каралиса и Корнеевой [41], обзоре Биркса и Манро [4] и других публикациях. 2.2. Морские флюориметры Первый прибор для измерения интенсивности флюоресценции проб морской воды построил Калле [116]. Он приспособил визуальный фотометр Пульфриха, поместив в измерительный пучок кювету в виде стеклянной трубки диаметром 5 мм, а в опорный – люминесцирующее стекло в качестве рабочего эталона. Свечение воды в кювете возбуждалось в ближней УФ-области спектра. Фотометр калибровался по раствору бисульфата хинина с концентрацией 0,1 мг/л в бидистиллированной воде. Интенсивность свечения такого раствора Калле обозначил как 73 mFl [116], и позднее он и некоторые другие авторы выражали результаты своих наблюдений в этих единицах. Необходимость работать в затемненном помещении и низкая производительность визуального фотометрирования – главные недостатки прибора Калле. Иванов [112] создал судовой флюориметр на базе нефелометра с углом рассеяния 90°, установив в нем ртутную лампу и «скрещенные» светофильтры, предназначенные для наблюдения флюоресценции РОВ. Позднее он укомплектовал свой прибор батометрами-кюветами с резиновыми уплотнениями, которые позволяли брать пробы воды и измерять их флюоресценцию, исключая контакт исследуемой воды с атмосферой. Отечественный флюориметр ЭФ-ЗМ был приспособлен для измерения флюоресценции РОВ в пробах морской воды [54]. Переделка состояла в замене фотоэлемента фотоумножителем, оперативная калибровка прибора обеспечивалась оригинальными эталонами с регулируемой яркостью флюоресценции. Недавно появились судовые флюориметры с лазерными источниками возбуждения [71]. Общий недостаток подобных приборов – невозможность непрерывной регистрация свечения в толще моря. В какой-то степени он устранен во флюориметрах с проточной кюветой, сквозь которую посредством шланга и помпы непрерывно прокачивается морская вода. Такой флюориметр фирмы «Тернер Дизайнс», США, модель III, впервые был применен для регистрации флюоресцентных индикаторов в 1960 г. [92] и флюоресценции хлорофилла – в 1966 г. [127]. Большинство зарубежных работ, посвященных исследованию и использованию флюоресценции в море, основано на применении этого прибора. Он представляет собой двулучевой фотометр с одним фотоприемником. Источником возбуждения служит люминесцентная лампа, излучение которой направляется в проточную кювету длиной 20 см. Флюоресценция из кюветы через вторичный светофильтр попадает на фотоумножитель. Часть излучения лампы проходит через подвижный оптический клин и падает на тот же ФЭУ (опорный канал). Вокруг ФЭУ вращается цилиндр с выре20 зами, благодаря которым флюоресценция и излучение лампы поочередно поступают на катод ФЭУ. Электронная схема меняет положение клина так, чтобы переменная составляющая фототока ФЭУ оставалась минимальной. Отклонение клина автоматически учитывает нестабильность лампы, ФЭУ, электронных устройств прибора и служит мерой интенсивности флюоресценции. Флюориметр комплектуется самописцем для непрерывной регистрации сигнала. Прибор с самописцем компактны и могут питаться низковольтным напряжением постоянного тока, что позволяет использовать их на маломерных судах для работ на мелководье. Проточные флюориметры привлекательны простотой, надежностью, возможностью использования одной и той же воды для флюориметрирования и определения иных океанологических характеристик, а также легкостью объединения ряда флюориметров или других приборов для синхронной регистрации нескольких величин. Такой подход был реализован Лилой и Ханаевым [53], построившими двухканальный проточный флюориметр, который в сочетании с буксируемым термометром обеспечивает регистрацию интенсивности флюоресценции хлорофилла и РОВ и температуры в поверхностном слое моря на ходу судна. Прибор имеет единственный источник возбуждения – импульсную лампу, излучение которой с одной стороны попадает в проточную кювету канала флюоресценции хлорофилла, а с другой – в кювету канала флюоресценции РОВ. Конструктивно оба канала идентичны, отличаясь лишь своими светофильтрами. Кюветы патрубками соединены последовательно и вместе с впускным и выпускным шлангами образуют единый канал прокачки. Входное отверстие впускного шланга снабжено соплом, раструб которого ориентируется против набегающегопотока воды. После погружения концов шлангов в море с движущегося судна и заполнения водой канала прокачки (из бортового водопровода) по шлангам и кюветам благодаря динамическому напору в раструбе сопла начинает непрерывно протекать морская вода. Такое устройство проточного флюориметра избавляет от необходимости использовать электрические помпы и существенно упрощает эксплуатацию прибора. Главный недостаток проточных флюориметров состоит в том, что из-за значительной длины впускного шланга регистрируемое распределение флюоресценции оказывается сглаженным по сравнению с истинным. Оценки подобных искажений показали, что даже при длине впускного шланга 10–15 м записи утрачивают детали распределений протяженностью в несколько метров [109]. Использование проточных флюориметров для регистрации вертикальных распределений флюоресцирующих веществ требует увеличения длины шлангов и сопряжено с еще большим сглаживанием распределений и неопределенностью привязки мгновенных отсчетов флюоресценции к отсчетам глубины. В этом случае на результатах измерений могут сказаться недостатки, свойственные и методу отбора проб: изменение флюоресценции исследуемого вещества вслед за извлечением воды из толщи моря, обусловленное 21 изменением температуры, давления, светового режима и других факторов. Всех этих ограничений лишены зонды-флюориметры. Первый из них предназначался для регистрации свечения флюоресцентных индикаторов – уранина и родамина – в толще моря во время диффузионных экспериментов [16]. Источником возбуждения служила лампа накаливания, а приемником – ФЭУ в режиме стабилизации анодного тока. Флюориметр имел пороговую чувствительность по уранину 10-10 г/мл, но не был пригоден для работы в светлое время суток. От этого недостатка избавились во второй модели ПФ-66 [28]. Влияние солнечного излучения на показания зонда было устранено следующими мерами. Возбуждающее излучение модулировалось с частотой более 100 Гц, отсутствующей в спектре флюктуации подводной облученности, и электронная схема прибора регистрировала только переменную составляющую фототока на этой частоте. Поэтому на отсчеты прибора могли действовать, лишь шумы постоянной составляющей фототока от солнечной засветки. Эти шумы понижались до приемлемо малых значений благодаря специальному проточному экрану со световыми ловушками на торцах, в который был заключен рабочий объем зонда. Все узлы флюориметра размещались в едином корпусе, что позволяло буксировать прибор со скоростью до 6 узлов. Он обладал пороговой чувствительностью по уранину 5-10-10 г/мл, был работоспособен при любых освещенностях моря солнцем и эксплуатировался свыше 10 лет; по его образцу строились и другие отечественные флюориметры. Кулленберг [124] построил флюориметр для регистрации флюоресцентных индикаторов. Его прибор состоял из корпуса с источником возбуждения – ртутной лампой – и двух одинаковых корпусов с фотоприемниками, ориентированными в надир. Один из них визировал горизонтальный пучок возбуждающего излучения и принимал флюоресценцию плюс солнечный свет, другой – только солнечный свет. Разность этих фототоков служила мерой интенсивности флюоресценции индикатора. Рабочий диапазон по родамину составлял от 5-10-11 до 5-10-7 г/мл. Помимо громоздкости конструкции, недостаток прибора в том, что он требовал подбора одинаковых фотоумножителей, что само по себе трудно. При больших засветках и низкой концентрации индикатора зонд должен был давать большие погрешности, так как концентрация индикатора определялась по разности близких по модулю величины. Видимо, по этим причинам способ компенсации солнечного фона, предложенный Кулленбергом, позднее не применялся. Погружаемый флюориметр для измерения флюоресцентных индикаторов на больших глубинах с автономного носителя был создан Юартом и Бендинером [99]. Предельное пространственное разрешение прибора – до 1 см. Протекание воды сквозь рабочий объем обеспечивалось трубкой Вентури, а при медленном движении носителя – встроенной микропомпой. Весь диапазон измеряемых концентраций от 10-12 до 10-6 г/мл разбит на четыре под22 диапазона, в каждом из которых частота выходного сигнала флюориметра пропорциональна логарифму концентрации индикатора при изменении последней на четыре порядка своего значения. Специальные флюориметры для наблюдения естественной флюоресценции моря были установлены на исследовательской подводной лодке «Бен Франклин» во время ее месячного дрейфа в толще Гольфстрима [98]. Два идентичных прибора размещались на внешнем корпусе лодки и управлялись оператором через низковольтные кабельные вводы. Источниками возбуждения служили маломощные газоразрядные лампы для дальней УФ-области – в одном приборе и ближней УФ-области спектра – в другом. В приемнике первого из них использован широкополосный фильтр с максимумом около 480 нм и полосой 450–600 км, а в приемнике второго – с максимумом при 650 и полосой 610–700 нм. Как теперь ясно, выбор второго из фильтров нельзя признать удачным, так как с таким фильтром флюориметр должен был измерять суммарное свечение РОВ и фотосинтетических пигментов, а не только флюоресценцию последних, на что рассчитывал автор работы [98]. Видимо, поэтому данные, полученные во время дрейфа, трудноинтерпретируемы. В первом зонде для измерения интенсивности флюоресценции РОВ с борта судна [17] свечение возбуждалось ртутной лампой в ближней УФ-области и регистрировалось в голубой области с помощью ФЭУ и самописца. Зонд не имел защиты от солнечного излучения, тем не менее с ним удалось провести исследования в Черном и Балтийском морях и накопить опыт, на основе которого был построен многоцелевой зонд-флюориметр ИПФ-70 [29]. Последний эксплуатировался Институтом океанологии АН СССР с 1970 г., после первых измерений был усовершенствован, и позволил получить основной объем отечественных данных о пространственно-временной изменчивости флюоресценции хлорофилла и РОВ в Мировом океане. Оптическая схема зонда ИПФ-70 (рис. 2.2) представляет собой двулучевой фотометр с двумя фотоприемниками и источником возбуждения флюоресценции – стробоскопической ксеноновой лампой ИСШ-5. Фотоприемниками выбраны фотоумножители ФЭУ-51 с чувствительностью от ближней УФ до красной границы видимой области спектра. Широкий сплошной спектр излучения лампы в сочетании с большой протяженностью спектральной характеристики ФЭУ допускали применение прибора для регистрации флюоресценции разных веществ, отличающихся своими спектрами возбуждения и свечения. Излучение лампы 8 после конденсора 7, прозрачной пластины 6 и зеркала 3 через иллюминатор 2 и первичный фильтр 1 попадает в воду, окружающую герметичный корпус 4. Флюоресценция воды сквозь вторичный фильтр 13 и иллюминатор 12 попадает на катод ФЭУ флюоресценции 11. Часть возбуждающего излучения, отраженная пластиной 6, зеркалом 10 направляется на катод опорного ФЭУ 9. Проточный экран 14 с гофрированными чернеными пластинами на торцах защищает 23 иллюминаторы и рабочий объем от чрезмерного солнечного излучения. Клин 5 регулирует уровень опорного сигнала. Темп вспышек лампы 3 Гц. После каждой вспышки на аноде первого из ФЭУ появляется сигнал флюоресценции U1, пропорциональный ее интенсивности, а на аноде второго ФЭУ – опорный сигнал U2, пропорциональный интенсивности возбуждения. Эти сигналы подаются на входы схемы амплитудно-временного преобразования. В ней преобразование амплитуды в длительность с делением сигнала флюоресценции на опорный получается в результате линейного разряда емкости С, заряженной до амплитудного значения сигнала U1 током i0, сила которого пропорциональна амплитуде опорного сигнала U2. Длительность выходного импульса при этом равна времени разряда емкости Рис. 2.2. Оптическая схема зонда-флюориметра ИПФ-70. Стрелками Вх и Вых показано направление потока воды сквозь проточный экран 14 при погружении зонда. Пояснения – в тексте. Благодаря тому, что сигнал фотометра пропорционален отношению интенсивностей флюоресценции и возбуждения, старение лампы разброс амплитуд ее вспышек сказывается на стабильности показаний прибора намного меньше, чем в фотометрах, собранных по схеме прямого усиления. Дополнительными цепями схемы выходному импульсу погружаемой части зонда придается форма прямоугольного ШИМ-импульса с длительностью от 5 до 140 мкс, пропорциональной интенсивности флюоресценции. Зонд имеет потенциометрический датчик глубины погружения, выходной сигнал которого в форме ШИМ-импульса с длительностью, пропорциональной глубине, попадает на вход кабельной линии связи поочередно с ШИМ-импульсом флюоресценции. В бортовой части ШИМ-импульсы преобразуются в импульсы с амплитудой, про24 порциональной интенсивности свечения и глубине, и эти импульсы записываются на ленте шлейфового осциллографа H115 в виде последовательности поперечных линий, огибающие которых описывают изменение глубины и флюоресценции во время зондирования. При необходимости машинной обработки данных ШИМимпульсы преобразовывались в код и регистрировались ленточным перфоратором. Градуировки ИПФ-70 по водным растворам бисульфата хинина показали, что длительность ШИМ-импульсов канала флюоресценции пропорциональна концентрации вещества, а крутизна градуировочного графика равна 4,2-10 г/(мл⋅мкс). Длительная эксплуатация подтвердила надежность прибора и пригодность егодля работы на любых широтах независимо от светового режима моря. Чтобы обеспечить одинаковость условий градуировки и измерений, проточный экран сочленяется с корпусом через резиновое уплотнение, кассеты с гофрированными пластинами могут быть заменены заглушками и полость экрана тем самым превращается в кювету, куда можно заливать градуировочные растворы или пробы морской воды. Эксплуатация прибора с экранами разной конструкции показала, что они искажают вертикальный ход флюоресценции лишь при экстремально больших ее вертикальных градиентах и что подобные искажения можно устранить, снизив скорость движения зонда в воде. Для применения ИПФ-70 в режиме буксировки был построен обтекаемый носитель. Были найдены комбинации светофильтров для измерения флюоресценции РОВ, флюоресценции хлорофилла при возбуждении в широкой полосе и в полосах поглощения хлорофилла и фикобилинов, а также для измерения интенсивности рассеяния света под 90° в красной области спектра. В табл. 2.1 приведены характериТаблица 2.1 Измеряемые характеристики, марки цветных стекол и спектральные интервалы первичного и вторичного светофильтров ИПФ-70. Характеристик Свечение РОВ Хлорофилл в широкой полосе Хлорофилл в полосе Соре Хлорофилл в полосе фикобилинов Рассеяние под углом 90° Первичный фильтр УФС-6 320–380 нм СЗС-22 400–500 нм Вторичный фильтр СЗС-22, ЖС-17 480–500 нм КС-19 более 700 нм СС-5, СЗС-22 400–450 нм КС-19 более 700 нм ОС-13, СЗС-22 500–550 нм КС-19 более 700 нм КС-19 более 700 нм КС-19 более 700 нм стики соответствующих стекол. Качество отделения флюоресценции хлорофилла от флюоресценции РОВ неоднократно проверялось в водах с разной концентрацией этих веществ путем сравнения свечения свежих проб морской воды с флюоресценцией их фильтратов. Фильтраты воды из океана не флюоресцировали, если 25 в приборе были установлены светофильтры для измерения свечения пигментов. Рабочий диапазон глубин ИПФ-70 – от 0 до 350 м, погрешность измерения флюоресценции 2–4%, пространственное разрешение по вертикали – не хуже 1 м, потребляемая мощность – 9 Вт. Погружаемая часть зонда связана с бортовыми устройствами трехжильным кабелем или кабель-тросом. Одновременно с ИПФ-70 был введен в действие зонд-флюориметр Кулленберга и Нюгарда [125], предназначенный для измерения интенсивности свечения РОВ. Источник возбуждения – ртутная лампа мощностью 125 Вт –размещена в отдельном корпусе вместе с элементами оптической схемы, направляющими коллимированный пучок УФ-излучения по горизонтали. В другом корпусе размещены фотоумножитель, оптическая и электронная схемы приемника флюоресценции. Он ориентирован в надир и визирует отрезок пучка возбуждения. Погружаемая часть связана с бортовой многожильным кабель-тросом. Влияние солнечной засветки на сигнал ФЭУ снижается конической световой ловушкой против иллюминатора фотоприемника, а для контроля за перегрузкой ФЭУ солнечным излучением используется отдельный измеритель постоянной составляющей фототока. Мерой интенсивности флюоресценции служит сигнал ФЭУ, модулированный с частотой возбуждающего излучения. Этот сигнал после усиления регистрируется самописцем. Зонд Кулленберга и Нюгарда сравнительно прост, но неудобен в эксплуатации из-за большой потребляемой мощности и недостаточно эффективной защиты от солнечного излучения. Видимо, поэтому он не нашел широкого применения. Гораздо более совершенны зонды-флюориметры «Вариосенс» [104], разработанные и выпускаемые фирмой «Импульсфюзик» (ФРГ) с начала 70-х годов. Последняя модель прибора создана на современной элементной базе и отличается стабильностью метрологических характеристик. Источником возбуждения флюоресценции служит капиллярная импульсная лампа с ксеноновым наполнением и неизменным положением разрядного шнура. Темп ее вспышек – 10 Гц. Флюоресценция принимается фотодиодом с низким уровнем шумов и диапазоном линейности 8 порядков изменения светового потока. В первых моделях фон от солнечного излучения компенсировался сигналом от дополнительного фотодиода. В последней модели с этой целью применен усилитель с «временными воротами», отпираемыми на 1 мкс во время вспышки импульсной лампы. Электрическая схема зонда состоит из усилителя, обеспечивающего линейность калибровочной характеристики в полулогарифмическом масштабе при изменении концентрации флюоресцирующего вещества на 4 порядка, схемы выборки – хранения для регистрации амплитуды импульсов флюоресценции в виде сигнала постоянного тока, интегратора и преобразователя напряжения в ток. Последний в сочетании со стабилизацией электропитания по току делает работу погружаемой 26 части “Вариосенса” независимой от длины и свойств проводов и кабеля. Импульсная лампа, фотодиод и интерференционные светофильтры, которыми комплектуется зонд «Вариосенс», специально изготавливаются для него поштучно, а перед установкой в прибор, подвергаются тщательному отбору, старению и калибровке. Благодаря этим мерам, схемным решениям и качеству изготовления прибора градуировка зонда, выполняемая перед поставкой потребителю, сохраняется в течение многих лет. Подавление фона от солнечного излучения с помощью дополнительного фотодиода или «временных ворот» позволило обойтись без световых экранов и световых ловушек вблизи рабочего объема зонда. Последний не превышает нескольких кубических миллиметров, что обеспечивает зонду рекордное пространственное разрешение. Зонды «Вариосенс» снабжаются светофильтрами для измерения свечения флюоресцентных индикаторов и хлорофилла, а также для измерения интенсивности рассеяния света под фиксированным углом; Рабочий диапазон концентрации по родамину – от 10-11 до 10-7 г/мл, быстродействие – 0.3 с на порядок изменения концентрации, мощность, потребляемая погружаемой частью, от 4 до 10 Вт в зависимости от модификации. Предусмотрено питание от аккумуляторов для работы с малых плавсредств в прибрежной зоне. Облегченный вариант для глубин до 200 м имеет массу 14 кг, а до 500 м – 28 кг. Имеется модификация с автономной регистрацией на магнитном носителе. Для определения нефтяных загрязнений в морской воде был выпущен образец прибора, способный возбуждать и принимать флюоресценцию в УФ-области спектра. Здесь были использованы иные источник возбуждения, оптические детали и вакуумный фотоэлемент, но конструкция и электрическая схема остались такими же, как у базовых моделей «Вариосенса». Недостаток зонда состоит в том, что при малом рабочем объеме он имеет сравнительно низкий темп вспышек. Это обстоятельство несущественно при регистрации непрерывно распределенных субстанций (например, флюоресцентных индикаторов). Однако при регистрации свечения хлорофилла, пребывающего в частицах взвеси, неизбежны флюктуации сигнала, сравнимые с его средним уровнем. Поэтому для получения репрезентативного отсчета на той или иной глубине требуется либо повышать темп вспышек лампы, либо увеличивать время регистрации или применять специальные приемы обработки сигнала. Зонды «Вариосенс» все шире применяются в исследованиях по биологии и динамике моря, вытесняя проточные флюориметры. Наряду с импульсными зондами продолжают строиться погружаемые флюориметры с возбуждением от непрерывных источников. Для изучения вертикального хода флюоресценции хлорофилла в морях и внутренных водоемах были созданы однолучевой флюориметр ПФл-1 и двулучевой ПФл-2 [79]. В первом флюоресценция возбуждается излучением ртутной лампы СВД-120, питаемой от сети переменного тока, а во втором применена галогенная лампа КИМ 10-90. Рабочие объемы обоих приборов защищены от 27 внешних засветок кожухами с неподвижными и вращающимися световыми ловушками. В отличие от описанных зондов-флюориметров, измеряющих собственную флюоресценцию веществ в морской среде, погружаемый флюориметр Лапшина и Трохана [51] предназначен для определения различных химических элементов в морской воде по измерениям флюоресценции комплексов, которые эти элементы образуют при добавлении в морскую воду особых реактивов, специфичных для того или иного элемента. В приборе имеется система непрерывной прокачки окружающей воды сквозь реактор смешения, куда дозированно поступает требуемый реактив. Флюоресценция комплексов возбуждается в реакторе смешения от источника, выполненного на лампе ИСШ-5, и попадает на фотоприемник, в котором используются сменные светофильтры и разные фотоумножители для выбора оптимальных условий наблюдения флюоресценции. Прибор выполнен в виде, пригодном для буксировки. Глубина его погружения – до 500 м, спектральный диапазон возбуждения– от 280 до 600 нм, флюоресценции – от 300 до 1000 нм. За последние годы накоплен значительный опыт создания и применения зондов-флюориметров. Наиболее перспективными следует признать разработки на основе импульсных ксеноновых ламп и твердотельных фотоприемников. Дальнейшее развитие морских зондов-флюориметров должно привести к встраиванию их в гидрофизические измерительные комплексы, выходу на большие глубины, созданию буйковых и буксируемых многоканальных флюориметрических измерительных систем. 2.3. Особенности аппаратуры для неконтактного флюоресцентного зондирования океана Неконтактное флюоресцентное зондирование океана (НФЗО) может быть реализовано в пассивном и активном вариантах. В первом флюоресценция возбуждается естественным светом (например, солнечным), во втором – излучением от источника, встроенного в прибор. Прибор для пассивного НФЗО создали Штерц с соавторами [145]. Для измерения флюоресценции, возбуждаемой в море солнечным излучением, они использовали метод дискриминации фраунгоферовых линий и построили двухканальный фотометр, регистрировавший с разрешением 0,1 нм спектральное распределение лучистой энергии, распространяющейся в зенит и в надир вблизи выбранной фраунгоферовой линии. Мерой интенсивности флюоресценции был выбран параметр, пропорциональный концентрации флюоресцирующей примеси в морской воде и учитывающий колебания интенсивности солнечного излучения и состояние границы раздела вода – воздух. Во время летных испытаний с высоты 2 км удалось регистрировать краситель родамин в поверхностном слое моря с чувствительностью до 10-9 г/мл, используя фраунгоферову линию натрия 589 нм. Этот метод, как и все пассивные методы, не годится для ночных измерений, и его ре28 зультаты сильно зависят от погодных условий. Видимо, поэтому основным направлением развития НФЗО явились активные методы. Они основаны на применении флюоресцентных лидаров, размещаемых на судах и летательных аппаратах. Источник и приемник лидара обращены своими выходным и входным отверстиями к водной поверхности, их оптические оси составляют малый угол, либо совмещены. Делались попытки применять в морских флюоресцентных лидарах высокоинтенсивные лампы как источники возбуждения флюоресценции, но в настоящее время для этого используют лазеры непрерывного действия или импульсные [14]. При длительности возбуждающих импульсов 10-9 с и менее удается регистрировать флюоресценцию отдельных слоев в пределах толщи от 0 до 20–30 м, доступной НФЗО. Такие приборы называют лидарами с временным разрешением. В принципе, судовой флюоресцентный лидар, пригодный для непрерывной регистрации флюоресценции на ходу судна, имеет следующие преимущества перед проточным флюориметром: 1) возможность сканирования по курсовому углу и тем самым получения информации о распределении флюоресценции в полосе, а не только вдоль линии; 2) возможность раздельной регистрации эффектов на границе раздела вода – воздух и в подстилающей толще океана; 3) возможность получать информацию о вертикальном распределении вещества в той же толще. При установке лидаров на летательных аппаратах к этим преимуществам добавляется важное достоинство – способность обеспечить быстрые измерения на значительных акваториях, что недоступно аппаратуре, размещаемой на судах. Это достоинство стимулирует разработку лидарных систем для контроля санитарного состояния моря с вертолетов и самолетов. Действие лидара описывается так называемым уравнением лазерной локации. В общем виде оно выражает зависимость потока фотонов Ф2, регистрируемого приемником, от потока фотонов возбуждающего излучения Ф1 и других параметров лидара, геометрии наблюдений (угол визирования водной поверхности, высота лидара над ней и т. п.), первичных оптических характеристик моря и атмосферы на длинах волн возбуждения и флюоресценции, концентрации флюоресцирующего вещества, сечения поглощения его молекул, квантового выхода, состояния границы раздела вода–воздух и т. д. По сравнению с измерениями посредством погружаемых флюориметров здесь появляются неконтролируемые факторы, которые увеличивают дисперсию результатов измерений и (или) смещают оценки средних значений, что делает неправомерным использование приемов калибровки аппаратуры, принятых в «контактной» флюориметрии. Влияние указанных факторов зависит от способа применения лидара. Состояние поверхности моря почти не влияет на показания лидара, зондирующего водную толщу с высоты несколько сот метров. Напротив, показания судового лидара, визирующего невозмущенную поверхность моря под сравнительно малым углом α , должны искажаться волнением моря, креном и качкой 29 судна вследствие вариаций френелевских потерь на границе раздела вода–воздух и колебаний дальности L трассы лидар– вода–лидар. Было показано, что Ф2 ~ L-2, когда толщина зондируемого слоя Δ z << L, и Ф2 ~ L-1, когда Δ z >> L. Реальные условия применения судовых лидаров таковы, что α = 20...30°, Δ z < L и L ~ 10...20 м. При качке ±5°, α = 25° и L = 20 м только за счет обратноквадратичной зависимости Ф2 от дальности трассы сигнал лидара будет меняться вдвое при Ф1 = const и неизменной флюоресценции по маршруту судна. Чтобы обойти трудности, порождаемые указанными факторами, строились лидары, в которых возбуждающее излучение лазера вводилось в море через подводные иллюминаторы [71 и др.]. При этом, однако, флюоресцентный лидар, не обладающий временным, разрешением, теряет свои главные преимущества перед проточным флюориметром, будучи намного сложнее и дороже последнего, да и сама возможность реализации этого приема на движущемся судне зависит от наличия шахт, помещений с подводными иллюминаторами и других его конструктивных особенностей. Фадеев [70] предложил радикальный способ калибровки флюоресцентных лидаров в процессе измерений по интенсивности стоксовой линии комбинационного рассеяния света (КРС) водой. КРС растворителя и ранее использовалась как внутренний репер в спектрофлюориметрии [90]. Пригодность такого репера в натурных условиях требовалось проверить и обосновать, что и было сделано [71]. Как и флюоресценция, интенсивность КРС воды пропорциональна мощности возбуждения, но не зависит от содержания примесей в натуральной морской воде. Благодаря малости сечения КРС воды по сравнению с сечением флюоресценции примесей в воде интенсивность КРС в море оказывается одного порядка с интенсивностью свечения последних в практически важных ближней УФ и видимой областях спектра. Разница волновых чисел лиг нии возбуждения и полосы КРС постоянна по всему спектру (для самого интенсивного стоксовского компонента она составляет 3440 см-1), что позволяет оптимизировать условия регистрации репера путем подстройки длины волны возбуждения. Сигналы КРС и флюоресценции порождаются излучением от одних и тех же объемов воды и идентичны по условиям возбуждения, приема и геометрии эксперимента, что избавляет от необходимости рассчитывать поле излучения в морской среде и учитывать влияние геометрического и аппаратурного факторов на сигнал флюоресценции, если последний сравнивается с сигналом КРС. Фадеев с соавторами [71] предложили приближенную формулу для оценки содержания n флюоресцирующих частиц в морской воде по сигналам лидара от флюоресценции и комбинационного рассеяния: n dσ р 4π N Φ n= в (2.4) k1k2 вΩ σ Φ N р Здесь nв – число молекул воды в единице объема морской среды; d σ р/d Ω – дифференциальное (по направлениям) сечение КРС 30 в воде, проинтегрированное по регистрируемой спектральной полосе КРС; k1 – коэффициент, учитывающий частотную зависимость пропускания приемника; k2 – фактор насыщения флюоресценции; σ ф – сечение изотропной флюоресценции; Nф/Np – отношение числа фотонов флюоресценции к сумме фотонов КРС. Для его определения требуется проинтегрировать контуры полос флюоресценции и КРС. Формула (2.4) была проверена по измерениям в натурных условиях и позволила получить оценки содержания хлорофилла в морской воде, которые оказались в удовлетворительном согласии с определениями хлорофилла по стандартной методике. Чтобы снизить избыточную дисперсию сигнала флюоресценции, обусловленную вариациями дальности трассы лидар–вода–лидер (ЛВЛ) вследствие волнения, качки или крена судна, было предложено наряду с флюоресценцией регистрировать эту дальность, и вводить поправки на ее колебания, либо использовать только те отсчеты флюоресценции, которые отвечают моментам достижения этой дальностью определенного, наперед заданного значения [40]. Такой способ особенно удобен при использовании лидаров с временным разрешением, так как канал регистрации дальности может быть организован посредством наименьшего числа устройств, реагирующих на излучение того же источника, каким возбуждается исследуемая флюоресценция. Способ был опробован в Тихом океане во время 24-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев» на акватории с заведомо однородным распределением флюоресценции при слабой бортовой качке. Лидар с временным разрешением визировал водную поверхность вне носового буруна и непрерывно регистрировал флюоресценцию, а также фиксировал моменты, когда трасса ЛВЛ имела одну и ту же заданную дальность. Сравнение нескольких выборок сигнала флюоресценции, считанных с ленты самописца в эти моменты и в промежутках между ними, показало, что относительные вариации сигнала в последней из них составляли 16–30% от средних значений, а в первой 10–15%. Имеется довольно много публикаций с изложением вопросов теории, устройства и методики применения морских флюоресцентных лидаров различной степени сложности и назначения [14 и др.]. В качестве одного из совершенных можно указать на флюоресцентный лидар, построенный в Канаде и предназначенный для обнаружения и определения нефти, нефтепродуктов, красителей и других веществ на поверхности моря с летательных аппаратов [132]. Его схема приведена на рис. 2.3. Флюоресценция моря возбуждается лазером на длине волны 337 нм импульсами с длительностью 3 не, частотой следования 100 Гц и энергией 1 мДж на импульс. Приемник лидара состоит из двух подсистем – полихроматора и альтиметра. Входом полихроматора служит телескоп Кассегрена с рабочим диаметром 20,3 см. Он собирает флюоресценцию на входную щель полихроматора, в фокальной плоскости которого размещен волоконный разделитель изображения. Через него спектр флюоресценции попадает на микроканальный 31 стробируемый усилитель изображения (УИ) с «временными воротами» и управляемым усилением. Последовательно с первым собран второй УИ, работающий при постоянном напряжении. К его выходной плоскости приклеены входные торцы световодов, а к их Рис. 2.3. Функциональная схема флюоресцентного лидара [132]. Л – азотный лазер; ТК - приемный телескоп; Р – разделительная пластинка; УФ - светофильтр, отсекающий ультрафиолетовое излучение; ГР – голографическая решетка полихроматора; ВР - волоконный разделитель изображения; УИ – микроканальные усилители изображения; У -контроль усиления; ВС - волоконные световоды; ФД – шестнадцать фотодиодов спектрометра; СВХ – схемы выборки – хранения; АКУ – автоматический контроль усиления; И – интерфейсы; В/С – блок синхронизации с выходами В1-3 и ВХ; АОР – измеритель амплитуды обратного рассеяния; А – альтиметр; ИМВ – измеритель мощности возбуждения с фотодиодом Д. В штрих-пунктире – проектируемый измеритель времени жизни флюоресценции (ДП – дихроичная пластина, τ – блок измерения времени жизни в синей Си и красной Кр областях спектра). выходным торцам приклеены фотодиоды. Всего их 16, чем и определяется количество каналов полихроматора и его спектральный диапазон. 14 каналов шириной 20 нм каждый охватывает видимую область от 400 до 660 нм. Первый канал настроен на линию КРС воды 381 нм и имеет ширину 8 нм. 16-й канал шириной 7 нм настроен на максимум свечения хлорофилла 685 нм. Таким образом, по своим спектральным характеристикам полихроматор лидара обеспечивает регистрацию широкополосных спектров флюоресценции (нефти, например) и интенсивности КРС и хлорофилла в фиксированных спектральных участках. Альтиметр основан на измерении интервала времени от посылки импульса возбуждения до прихода на приемник светового им32 пульса, отраженного поверхностью моря. Сигнал альтиметра используется для стробирования УИ и вместе с данными об усилении УИ и энергии возбуждения – для введения поправок в отсчеты каждого канала. Благодаря стробированию («временным воротам») лидар работоспособен в дневное время. Чтобы вычесть фон от солнечного излучения из суммарного сигнала флюоресценции и фона в каждом канале, отсчеты фона берутся в промежутках между импульсами лазера. После каждого импульса сигналы всех 16 каналов преобразуются в цифровую форму и заносятся в бортовую систему сбора данных, куда поступают также сведения о высоте полета, амплитуде рассеянного назад УФ-излучения лазера, энергии его импульса и усилении УИ, координатах и времени. Вся эта информация выдается на дисплее в реальном масштабе времени и записывается на НМЛ для послеполетной обработки. Лидар был успешно испытан в Атлантическом океане у побережья США. Несмотря на достигнутые успехи, подобные приборы еще нуждаются в совершенствовании. Те принципиальные преимущества, которыми лидары обладают по сравнению с зондами и проточными флюориметрами, реализуются с трудом из-за новизны и сложности требуемых технических решений. Одна из трудностей состоит в том, что имеющиеся типы лазеров громоздки, дороги или по своим параметрам не вполне пригодны быть источниками возбуждения флюоресценции на подвижных носителях. Вместе с тем потребности разных отраслей мореведения в средствах дистанционного экспрессного определения различных субстанций и свойств океана столь велика, что работы по развитию и освоению флюоресцентных лазерных лидаров не утратят своей актуальности в ближайшие годы. 2.4. Приборы для изучения физических характеристик флюоресценции морской воды Для изучения физических характеристик свечения веществ, флюоресцирующих в морской воде, нет необходимости создавать специальную морскую аппаратуру, если они могут быть получены в виде препаратов с достаточно высокой концентрацией. К таким веществам можно отнести нефть и нефтепродукты, сточные воды промышленных предприятий, люминесцирующие красители и т. п. Их спектры, кинетика, поляризация и выход поддаются определению с помощью приборов общего назначения. Это утверждение можно отнести и к флюоресценции фотосинтетических пигментов фитопланктона, но лишь в той степени, в какой пигменты фитопланктона в культурах или препаратах идентичны пигментам реальных популяций водорослей в море. Флюоресцирующие РОВ присутствуют в море преимущественно в малых концентрациях, их состав известен очень плохо и не поддается контролю. Вместе с тем они родственны распространенным флюоресцирующим веществам естественного происхождения, что порождает опасность 3 Заказ № 698 33 случайного заражения исследуемых проб морской воды посторонними примесями. По этим причинам ответ на вопрос о возможности определения физических характеристик флюоресценции РОВ посредством приборов и методов общего назначения мог быть получен только в ходе исследований. Представления о спектральных закономерностях флюоресценции РОВ долгое время базировались на оценках ее цвета. Видимо, первая попытка получить объективные данные о спектрах свечения и возбуждения РОВ принадлежит Люцареву [55]. Он построил спектрофлюориметр для записи спектров свечения проб морской воды в береговой лаборатории. Прибор был скомпонован из спектрографа ИСП-51 с регистрирующей фотоэлектрической приставкой ФЭП-1 и осветителя Вуда, где флюоресценция воды в кювете возбуждалась линией ртути 365 нм, выделяемой стеклянным светофильтром из спектра лампы СВД-120. Для регистрации спектров возбуждения он же применил монохроматор и осветитель спектрофотометра СФ-4, заменив его приемную часть фотоумножителем с регистратором. Из-за низкой чувствительности установки пробы морской воды приходилось упаривать в 20 раз с тем, чтобы повысить концентрацию флюоресцирующих РОВ. Траганца [148] применил спектрофлюориметр фирмы «БэрдАтомик» на борту судна для регистрации спектров возбуждения и флюоресценции РОВ в интервале от 200 до 700 нм. Устанавливая вручную длины волн первичного монохроматора, с помощью прибора можно было зарегистрировать спектры свечения в зависимости от длины волны возбуждения и найти максимум соответствующего спектра флюоресценции. При установке вторичного монохроматора на длину волны этого максимума и сканировании по длинам волн первичного монохроматора получается спектр возбуждения. Использование прибора на судне в Саргассовом море показало, однако, что чувствительность спектрофлюориметра оказалась достаточной лишь для измерений в прибрежных водах или в «пятнах цветения» фитопланктона. В дальнейшем исследования спектров флюоресценции РОВ посредством спектрофлюориметров промышленного изготовления проводились только в водах с высоким содержанием флюоресцирующих РОВ. Браун [90] измерял спектры свечения и возбуждения прибором фирмы «Перкин-Эльмер» MPF-3 в Балтийском море, Гинапп [105] – прибором «Перкин-Эльмер» MPF-44 в устье р. Эльбы. Последний из приборов отличается тем, что результаты измерений записываются в виде «истинных» спектров, в которые автоматически вводятся поправки на спектральный ход чувствительности регистрирующей части спектрофлюориметра и на спектральный ход мощности возбуждения. Спектрофлюориметр для определения спектра свечения РОВ в пробах морской воды, доставленных на борт судна, построили Карабашев и Зангалис [26, 37]. При его создании выдвигались основные требования: 1) обеспечить чувствительность, достаточную для измерений в районах океана с минимальным содержанием флюоресцирующих РОВ в морской воде; 2) исключить контакт 34 исследуемых объемов воды с атмосферой в процессе взятия и обработки проб воды; 3) построить прибор пригодным для использования одним оператором на исследовательских судах любого тоннажа. Источником возбуждения служил осветитель с ртутной лампой СВД-250 и турелями с интерференционным и абсорбционными светофильтрами, которые выделяли линии ртути 313, 365, 436 и 546 нм из спектра лампы. Ее излучение направлялось в батометр-кювету (БК), закрепленную перед входной щелью монохроматораУМ-2. БК представляли собой стеклянные цилиндры с кварцевыми крышками на торцах. Последние управлялись несложным механизмом, который обеспечивал крепление БК в сборе на тросе и захлопывание крышек на требуемой глубине под действием посыльного груза. После извлечения на борт судна собственно БК отделялась от механизма и вставлялась в кюветный отсек спектрофлюориметра. За выходной щелью монохроматора находился фотоумножитель. Его сигнал регистрировался на ленте самописца вместе с метками длин волн. Спектрофлюориметр записывал спектры от 400 до 800 нм за время от 1 до 30 с с шириной спектрального интервала 5–7 нм. Он градуировался по спектру вольфрамовой лампы накаливания с известной цветной температурой и обеспечивал точность фотометрирования 8–10%. Разборная конструкция, возможность быстрой сборки и юстировки, работоспособность при значительной качке судна способствовали широкому использованию прибора на Балтийском море, в Атлантическом и Тихом океанах во время экспедиций на судах АН СССР. Фадеев с соавторами [71] создали два спектрофлюориметра для морских исследований. В первом из них для возбуждения флюоресценции применена ксеноновая лампа ДКсШ-150, мощность излучения которой стабилизирована с точностью 0,1% введением обратной связи по световому потоку. Длина волны возбуждения в диапазоне 250–660 нм задается дифракционным монохроматором с разрешением 5 нм/мм. Аналогичный монохроматор с фотоумножителем за выходной щелью регистрирует спектр флюоресценции от 300 до 850 нм. В приборе использованы прямоугольные кварцевые кюветы. Во втором спектрофлюориметре флюоресценция возбуждалась второй (532 нм) и третьей (355 нм) гармониками излучения лазера на алюмоиттриевом гранате с неодимом. Монохроматор флюоресценции – дифракционный, с разрешением 5 нм/мм. Приемником флюоресценции служит ФЭУ-100 со спектральным диапазоном 250–800 нм, мощность возбуждения контролируется фотодиодом. По своей чувствительности приемная часть спектрофлюориметра способна регистрировать одноэлектронные импульсы. Шумы ФЭУ и помехи от внешних засветок существенно подавляются благодаря стробированию приемной системы. Длительность строба – до 1 мкс. Эта особенность лазерного спектрофлюориметра позволила применить его в качестве лидара, визировавшего толщу океана сквозь подводный иллюминатор в корпусе исследовательского судна. 3* 35 В отличие от спектрофлюориметров, приборы для изучения кинетики флюоресценции не выпускались отечественной и зарубежной промышленностью до самого недавнего времени. Этим, а также специфическими трудностями изучения быстропротекающих процессов можно объяснить то, что единственная попытка построить судовой спектрофлюориметр была предпринята лишь в 1978 г. [21]. Авторы прибора ограничились намерением получить рекогносцировочные оценки излучательного времени жизни флюоресценции РОВ. С этой целью они воспользовались импульсным методом его измерения [4]. Источником возбуждающих импульсов служил ОКГ типа ЛГИ-21 с длиной волны излучения 337 нм и длительностью импульса 10 нс. В пучке флюоресценции был установлен монохроматор SPM-2, а для ее регистрации использовался ФЭУ-85 с нагрузкой 50 Ом и осциллограф С1-70 в стробоскопическом варианте с графопостроителем Н-306. Развертка осциллографа запускалась импульсом излучения лазера через дополнительный фотоумножитель. Между ОКГ и входной щелью монохроматора был собран кюветный отсек с зеркалами, светофильтрами и оптическим ослабителем, которые направляли возбуждающий импульс в кварцевую кювету перед щелью монохроматора, управляли интенсивностью возбуждения и подавляли блики и помехи от рэлеевского и комбинационного рассеяния возбуждающего излучения в воде. При частоте вспышек лазера 100 Гц за 55 с на планшете графопостроителя вычерчивался контур импульса свечения РОВ, V(t), когда монохроматор настраивался на спектральный участок в полосе их флюоресценции, и контур импульса возбуждения I(t) (характеристическая функция прибора), если он был установлен на 337 нм. Согласно методу моментов [4], по измеренным V(t) и I(t) рассчитывались их дисперсии sV2 и s I2 и τ = (sV2 − s I2 ) −1 / 2 (2.5) в предположении, что флюоресценция затухает по экспоненциальному закону. V(t) и I(t) регистрировались в смежные моменты времени при одинаковых электрических параметрах аппаратуры и геометрии световых пучков. Испытания, проверки и эксплуатация спектрофлюорометра в судовых условиях показали, что он позволял определять излучательное время жизни 4–5 нс и более с погрешностью 5–7 % и давал его оценки для веществ с известным τ , не выходившие за интервал значений, опубликованных в литературе [21]. Глава 3. ФЛЮОРЕСЦЕНЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ, РАСТВОРЕННЫХ В МОРСКОЙ ВОДЕ Изучая рассеяние солнечного излучения в пробах морской воды из Бенгальского залива, Раманатхан (по [119]) обнаружил зеленое свечение, избыточное по отношению к рассеянному свету, и на этом основании определил его как флюоресценцию. Вскоре Вавилов и Тумерман (по [119] ) описали свечение «чистых» жидкостей, в том числе дистиллированной воды, под действием ультрафиолетового излучения. Было замечено, что голубая флюоресценция вод пресных водоемов тем ярче, чем более они заселены живыми организмами. Двадцатью годами ранее было установлено, что многие предметы обладают голубоватой флюоресценцией, которая может быть ослаблена очисткой от каких-то Примесей. Сперва полагали, что флюоресценция «чистых» жидкостей связана с растворенными газами (в основном – кислородом), но к началу 30-х годов укрепилось мнение об органическом происхождении флюоресцирующих примесей. Эти наблюдения и натолкнули К. Калле на мысль о том, что существует общая причина «голубого свечения» разных тел и что такой причиной должны быть водорастворимые продукты разложения веществ растительного происхождения, которые легко образуются в естественных условиях и могут переноситься аэрозолем, чем и объясняется повсеместная распространенность «голубой» флюоресценции [119]. Последующие определения ее физических характеристик и пространственно-временной изменчивости, а также специальные опыты подтвердили идею Калле, и в настоящее время считается несомненным, что основной причиной свечения фильтрованной морской воды выступают присутствующие в ней флюоресцирующие растворенные органические вещества (РОВ). 3.1. Физические характеристики флюоресценции растворенных органических веществ Среди физических характеристик флюоресценции РОВ лучше всего изучено ее спектральное распределение. Первая публикация с результатами измерений спектров флюоресценции РОВ принадлежит Люцареву [55]. Несколько проб воды из Каспийского моря и Атлантического океана были доставлены им в береговую лабораторию, и здесь на спектрофлюориметре были измерены их спектры свечения при возбуждении линией ртути 365 нм. Записи спектров разных проб отличались по интенсивности, но параметры спектральных полос оказались сходными. В среднем максимум их лежал при 463 нм, а полуширина составляла 130 нм. В работе Траганцы [148] приведены спектры свечения вод с шельфа Атлантического океана. Максимум полосы свечения лежал при 425– 37 440 нм, возбуждения – при 305 нм. Измерения в водах открытого океана не удались из-за недостаточной чувствительности спектрофлюориметра. Следует учитывать, что Траганца не вносил в свои данные поправки на спектральный ход чувствительности прибора. Для получения сведений об изменчивости спектральных характеристик свечения РОВ требовалось выполнить наблюдения в предельно разнообразных океанологических ситуациях, приняв специальные меры против возможного загрязнения проб воды во время их взятия и при проведении измерений. Такие наблюдения были выполнены Карабашевым с сотрудниками [24, 25, 37] в 1969–1971 гг. с помощью судового спектрофлюориметра (глава 2). Наблюдениями были охвачены сперва Балтийское море, а затем – разнообразные акватории умеренных и тропических широт в Атлантическом и Тихом океанах: Северное море, Бискайский залив. Канарское течение, Саргассово и Карибское моря. Панамский залив, экваториальная дивергенция в Тихом океане и южная часть его тропической зоны, район течения Куросио и др. Пробы воды брались в помощью специальных батометров-кювет, исключавших контакт исследуемых объемов воды с атмосферой до завершения измерений. При этом обследовались слои с различными условиями формирования РОВ – верхний квазиоднородный слой, пикноклин, внутренний однородный слой, а в отдельных случаях придонные слои океана, в том числе на глубинах до 10 км. Всего было взято более 200 проб воды. Измерения на спектрофлюориметре выполнялись не позднее часа после взятия проб. Флюоресценция поочередно возбуждалась линиями ртути 313, 365 и 436 нм, а ее спектральное распределение регистрировалось самописцем. При облучении проб воды линией 546 нм в области длин волн до 600 нм появлялось едва заметное свечение, которое на записи выглядело как малая добавка к длинноволновому крылу линии возбуждения. Такие записи не поддавались расшифровке, но свидетельствовали о возможности возбуждения свечения РОВ в зеленой области спектра. Из зарегистрированных полос свечения вычиталась интенсивность комбинационного рассеяния возбуждающего излучения водой, и после введения поправок на спектральный ход чувствительности фотоприемника контур каждой полосы нормировался по своему максимуму. Последнее позволяло сопоставлять форму спектральных полос флюоресценции проб воды, отличавшихся друг от друга интенсивностью свечения РОВ. Во время экспедиций периодически проверялась правильность и оценивалась точность определений путем регистрации свечения растворов веществ с известными спектрами флюоресценции. Сравнение нормированных спектров флюоресценции показало, что изменения формы ее спектральных полос не выходили за пределы погрешностей измерений, а сами полосы свечения, возбуждаемые линиями 313, 365 и 436 нм, можно характеризовать длинами волн максимумов (415±5); (450±5) и (520±5) нм соответственно. Рисунок 3.1 дает представление о сходстве спектров в пробах 38 с поверхности моря в южной Балтике и с глубины 10 км в желобе Тонга в Тихом океане. Поскольку эти наблюдения охватывали воды с размахом изменения гидрохимических характеристик, близким к предельному для океана в целом, то этот результат может служить доказательством постоянства или малой изменчивости формы спектра флюоресценции РОВ в Мировом океане, когда спектральный состав возбуждающего излучения постоянен. Напротив, изменения последнего сильно влияют на положение максимума и форму полосы свечения РОВ. Ее максимум сдвинут относительно линии Рис. 3.1. Нормированные спектральные распределения (%) интенсивности Ф флюоресценции РОВ при возбуждении линиями ртути 313 (I), 365 (II) и 436 им (III) согласно измерениям в пробах воды из поверхностного слоя Балтийского моря (1 и 3) и с глубины 10 км в желобе Тонга, Тихий океан (2 и 4). возбуждения на 80–100 нм в сторону больших длин волн и следует за ней при смещении линии возбуждения по шкале длин волн. В этом – существенное отличие флюоресценции РОВ от флюоресценции гомогенных растворов, у которых положение и форма полосы свечения не зависят от спектрального состава возбуждающего излучения. Чтобы проверить, меняется ли по вертикали соотношение яркостей свечения в полосах от линий ртути 313 и 365 нм, для каждой пробы из Тихого и Атлантического океанов были взяты отношения интенсивностей в максимумах полос, из этих отношений были составлены равновеликие выборки для интервалов глубин 0–200 и 200–10000 м и в каждой выборке рассчитаны средние значения. Они совпали с точностью до третьего знака, так что не только форма, но и соотношение интенсивностей полос свечения РОВ, возбуждаемых в разных спектральных участках, почти не меняются по океану. Определения спектрального хода флюоресценции РОВ в пробах воды из устья р. Вар, западной части Средиземного моря 39 и апвеллинга у берегов Мавритании выполнил Морель (см. [13], рис. 15.13). Он возбуждал флюоресценцию линией 365 нм и результаты измерений нормировал на интенсивность линии комбинационного рассеяния возбуждающего излучения водой, исключив тем самым необходимость калибровки аппаратуры по растворам эталонов. Из-за недостаточного спектрального разрешения монохроматора Морелю не удалось зарегистрировать контур полосы свечения РОВ, хотя он и зафиксировал изменения его интенсивности на порядок своего значения при переходе от устья реки к открытому океану. В методической работе Брауна [90] приведены данные о спектрах свечения вод Балтийского моря. По его оценкам, полуширина полосы свечения РОВ составляет около 130 нм, а ее максимум лежит при 460–470 нм (возбуждение – при 340 нм). Он также наблюдал смещение максимума на шкале длин волн вслед за смещением спектрального интервала возбуждения. Браун обнаружил слабое увеличение длины волны максимума полосы флюоресценции РОВ с ростом поглощения света водой и показал, что эта зависимость могла быть вызвана не вариациями состава флюоресцирующих РОВ, а «эффектом внутреннего фильтра». К сожалению, Браун приводит преимущественно спектры, нескорректированные на спектральный ход чувствительности прибора. В этом отношении выгодно отличаются оценки спектров проб воды из зоны смещения морских и речных вод в устье р. Эльбы, приведенные в работе Гинаппа [105]. Используя спектрофлюориметр с автоматической коррекцией измеряемых спектров, он вновь подтвердил зависимость длины волны максимума полосы свечения РОВ от спектрального состава возбуждения и постоянство спектров флюоресценции при неизменном возбуждении. При возбуждении на длине волны 367 нм максимумы полос лежали при 460– 470 нм, их полуширина составляла не менее 100 нм. Гинапп обнаружил обратную зависимость, близкую к линейной, интенсивности свечения в максимуме полосы от длины волны возбуждающего излучения, которая менялась от 330 до 367 нм. Возбуждая свечение РОВ излучением азотного лазера на волне 337 нм Георгиев с соавторами [7] наблюдали спектры флюоресценции с максимумами около 455–460 нм и полушириной 100–ПО нм. Несмотря на различия техники и методики измерений, результаты определения спектров свечения РОВ, полученные разными авторами, неплохо согласуются между собой и могут быть сформулированы следующим образом. Флюоресценция РОВ возбуждается ультрафиолетовым и видным излучением, а форма и положение ее спектральных полос на шкале длин волн зависят от спектрального состава возбуждающего излучения. Если оно монохроматично, то спектр флюоресценции РОВ представляет собой асимметричную бесструктурную полосу с полушириной 100–140 нм и максимумом, смещенным на 80–100 нм в сторону больших длин волн относительно линии возбуждения. Форма и соотношение интенсивностей спектральных полос свечения РОВ, возбуждаемых в различных спектральных участках, практически 40 не меняются по Мировому океану и слабо или вовсе не зависят от состава и происхождения вод. Спектры возбуждения. Наряду со спектрами свечения Люцарев [55] изучал спектральный ход эффективности возбуждения флюоресценции РОВ в пробах воды из Каспийского моря и Атлантического океана. Он нашел, что спектр возбуждения имеет вид полосы с максимумом при 370 нм. Иной результат был получен Брауном [t90], согласно которому спектр возбуждения РОВ в водах Балтийского моря представляет собой монотонную кривую с ординатой, убывающей по мере роста длины волны возбуждения. Такому ходу кривой возбуждения хорошо отвечает вышеупомянутая обратная зависимость интенсивности в максимуме полос флюоресценции от длины волны возбуждения [105]. Столь резкое противоречие между оценками Брауна и Гинаппа, с одной стороны, и Люцарева – с другой, нуждается в обсуждении. Прежде всего, Браун и Гинапп приводят данные, исправленные на спектральную селективность своих приборов, тогда как в работе Люцарева [54] введение подобных поправок не упоминается. Из-за низкой чувствительности установки Люцарев перед измерениями спектров возбуждения подвергал пробы 20-кратному упариванию. Согласно оценкам показателя поглощения, приведенным, например, в [|81], даже для вод открытого океана средней прозрачности в области длин волн, меньших 370 нм, такое упаривание должно приводить к увеличению показателя поглощения до 10–30 м-1 и более. В столь оптически плотных растворах условие флюориметрической пропорциональности (1.10) не соблюдается уже при геометрических толщах около 1 см. Во всяком случае, спектральный ход эффективности возбуждения по Люцареву как раз таков, как если бы в его измерениях условие (1.10) действительно не выполнялось, и зарегистрированные спектры были искажены «эффектом внутреннего фильтра». На этих основаниях только данные Брауна [90] и Гинаппа [105] следует рассматривать как достоверные сведения о спектрах возбуждения. В действительности и эти сведения крайне неполны, так как вследствие изменения характеристик полосы свечения вместе со спектральным составом возбуждающего излучения теряет ясность понятие спектра возбуждения как зависимости квантовой интенсивности флюоресценции в фиксированном спектральном интервале от квантовой интенсивности возбуждения при разных длинах волн. Как справедливо отметил Браун [,90], для полного описания эффективности возбуждения РОВ требуется определять в каждой пробе интенсивность флюоресценции как функцию двух переменных – длин волн собственного свечения и возбуждающего излучения. Измерения, необходимые для определения такой функции, до сих пор не выполнялись. Спектры поглощения флюоресцирующих РОВ могут быть определены только путем прямых измерений оптических свойств флюоресцирующих фракций РОВ. Однако необходимые методы фракционирования РОВ отсутствуют, и потому все исследователи вынуждены ограничиться сравнением флюоресценции РОВ 41 с поглощением света морской водой в спектральных интервалах, где преобладает поглощение РОВ. Это не вполне корректно, так как существует вероятность того, что флюоресцируют не все РОВ, поглощающие свет. Другая трудность в том, что базисный метод, на котором основано подавляющее большинство измерителей поглощения света в прозрачных средах, неприменим к морской воде из-за сильного влияния рассеяния света частицами взвеси на ослабление светового пучка вдоль базы прибора. Этот метод допустимо применять лишь к фильтратам морской воды с большим содержанием РОВ. Именно так поступил Калле [116], чтобы выявить связь интенсивности флюоресценции РОВ, возбуждаемой в УФ-области спектра, с поглощением при 430 нм, выполнив измерения в пробах воды из Ботнического и Финского заливов Балтийского моря. Интенсивность флюоресценции и поглощение менялись совместно, корреляция между ними составляла около 0,9. Столь же сильную положительную корреляцию между свечением РОВ и поглощением фильтрованной балтийской воды при 340 нм наблюдал Браун [90], а также Карабашев и Зангалис [25]. По измерениям в нескольких пробах воды они рассчитывали коэффициенты корреляции 0,9 между оптической плотностью при 313, 365 и 436 нм и интенсивностью в максимумах полос флюоресценции, возбуждаемой в этих спектральных участках. Чтобы получить представление об устойчивости связи между флюоресценцией РОВ и поглощением фильтрованной морской воды во всей УФ-области спектра, Карабашев и Зангалис [27] провели более подробное исследование. В различных районах Балтийского моря и на различных глубинах они взяли 33 пробы воды, на борту судна тотчас после взятия измерили интенсивность свечения воды до и после фильтрации проб (возбуждение– линией 365 нм) и в береговой лаборатории на спектрофотометре СФ-4 определили спектры поглощения фильтратов в интервале от 195 до 410 нм, пользуясь кюветами длиной 300, 50 и 10 мм для длинно-, средне- и коротковолнового участков этого интервала соответственно. Оценки коэффициентов корреляции и статистических характеристик выборок данных о флюоресценции и поглощении показали следующее. Изменение поглощения от пробы к пробе было обусловлено его концентрационной зависимостью, а не вариациями удельного показателя поглощения. Поэтому для суждения о форме спектра поглощения κ(λ) можно пользоваться результатом осреднения по всем пробам. Он приведен на рис. 3.2 и, как видно, в пределах 250–390 нм в полулогарифмическом масштабе неплохо аппроксимируется прямой линией с обратным наклоном, что характерно для спектра поглощения «желтого вещества» [12]. В области 195–250 нм на этот спектр накладывалась полоса поглощения иной природы (согласно положения ее максимума – полоса нитратов). В пределах этой полосы флюоресценция и поглощение РОВ не коррелировали, но в интервале 250–390 нм корреляция между ними оказалась почти постоянной и равной 0,8–0,9 (рис. 3.2). 42 Таким образом, в Балтийском море флюоресценция РОВ пропорциональна поглощению света фильтрованной морской водой в тех спектральных участках, где доминирует поглощение «желтого вещества». Пропорциональность флюоресценции РОВ поглощению света «желтым веществом» подтвердилась оценками коэффициентов корреляции, рассчитанными нами по данным Калле [17] о распределении флюоресценции и поглощения в зоне смещения северомор- Рис. 3.2. Спектральный ход показателя поглощения κ различных вод и коэффициенты корреляции r поглощения с флюоресценцией РОВ. 1–3 – по измерениям в фильтратах воды из Балтийского моря в кюветах длиной 1, 5 и 30 см соответственно (для κ – средние значения); 4 – средний спектр вод Атлантического океана (по [841), умноженный на 100; 5 – разность спектров поглощения одно- и триждыдистиллированной воды (по [9]), умноженная на 100. ских вод с водами р. Эльбы, где их соленость менялась от 2 до 30%о. Чтобы проверить применимость вывода к водам открытого океана, мы обратились к материалам 10-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев», в котором интенсивность флюоресценции РОВ измерялась одновременно с показателем поглощения вод посредством спектрофотометра «Волна» [50]. Требовалось так составить парные выборки данных о поглощении и флюоресценции, чтобы они имели возможно больший объем и отвечали наиболее разнообразным условиям формирования РОВ. В соответствии с такими требованиями были взяты данные для горизонта 10 м и интервала глубин 100–200 м, и по ним рассчитаны коэффициенты корреляции между интенсивностью свечения РОВ и показателем поглощения при 400 и 440 («Волна» не работает в УФ-области спектра). Все варианты счета дали оценки корреляции +0,7, значимо отличившиеся от 0 при 99%-ном уровне значимости. Истинные 43 оценки могли быть несколько более высокими, так как из-за малости поглощения на большинстве станций оно определялось с погрешностью 20–50%. Расчетные оценки могли быть занижены против истинных еще и потому, что флюориметром измерялось свечение только РОВ, а «Волной» – суммарное поглощение РОВ и фотосинтетических пигментов в частицах взвеси. Различие изменений средних значений поглощения с глубиной при 400 и 440 нм согласовывалось с подобным опасением. В силу этих соображений и оценок допустимо признать, что и в открытом океане интенсивность флюоресценции РОВ пропорциональна поглощению света «желтым веществом». Время жизни τ флюоресценции РОВ определялось Карабашевым [20] на судовом спектрофлюорометре (гл. 2) в пробах воды из восточной части Тихого океана, где содержания веществ, связанных с формированием РОВ, меняются в интервале своих значений, близких к предельным для океана в целом. Было взято 7 проб с поверхности, 7 – из слоя под пикноклином с глубин от 140 до 1000 м и 9 – в придонном слое от 146 до 5000 м. τ РОВ находили при 400 нм (коротковолновое крыло полосы свечения), при 450 нм (ее максимум) и 550 нм (длинноволновое крыло). Контрольные параллельные определения τ уранина выполнялись при 530 нм. Их результаты легли в интервал 4,0–5,1 нс при среднем значении 4,6 нс, что совпало со сведениями о кинетике свечения уранина [4] и подтвердило правильность методики наблюдений. Оценки средних τ РОВ составили 6,2 нс (400 нм), 6,4 нс (450 нм) и 6,3 нс (550 нм), относительный разброс τ РОВ оказался меньше разброса τ уранина, но интервалы оценок τ РОВ взаимно перекрывались, и потому следует признать, что отличия средних τ РОВ в центре спектральной полосы свечения и по ее краям не были значимыми. На этих основаниях можно сделать вывод о том, что при температуре 19–23°С излучательное время жизни флюоресценции РОВ, возбуждаемой при 337 нм, не меняется в пределах спектральной полосы и в водах с различными условиями формирования РОВ и составляет (6,3+0,3) нс. Такие значения τ. РОВ близки к типичным временам жизни «быстрой» флюоресценции растворов органических соединений 10-9 – 10-8 с. В океанологической литературе нет сведений об исследованиях поляризации флюоресценции РОВ. В 20-м рейсе НИС «Дмитрий Менделеев» нами были выполнены рекогносцировочные измерения степени деполяризации свечения РОВ, возбуждаемого линейно поляризованным излучением азотного лазера при 337 нм. Для этого использовался тот же спектрофлюорометр, что и для определения τ РОВ, но в его приемном пучке был установлен вращающийся анализатор. Были обследованы три пробы воды, взятых в поверхностном слое Средиземного моря и в Тихом океане у дна на 3800 м и в промежуточном слое на глубине 140 м. Во всех случаях отсутствовали значимые отличия интенсивности компонентов флюоресценции, параллельных и перпендикулярных плоскости по44 ляризации возбуждающего излучения. С учетом погрешностей измерений это означало, что флюоресценция РОВ была поляризована не более чем на несколько процентов либо полностью деполяризована. Концентрационное тушение флюоресценции РОВ исследовал Люцарев [55]. Он проверил, как меняется интенсивность флюоресценции РОВ в пробе из Каспийского моря по мере разведения ее дистиллированной водой, и, найдя, что интенсивность убывает пропорционально кратности разведения, сделал вывод об отсутствии концентрационного тушения РОВ. К аналогичному выводу в результате аналогичного опыта с пробой воды из Ботнического залива пришел Браун [90]. В обоих опытах исследовались воды с наиболее яркой флюоресценцией РОВ, в силу чего вывод об отсутствии концентрационного тушения следует распространить на все акватории Мирового океана. Этот результат нетрудно было предвидеть, так как концентрационное тушение наблюдается обычно при концентрациях флюоресцирующих веществ от 10-3 моль и выше, а содержание РОВ в водах морей и океанов существенно меньше указанного предела. Температурное тушение также определял Люцарев [55]. По его данным температурная зависимость интенсивности Ф флюоресценции РОВ, возбуждаемой линией ртути 365 нм, описывается выражением Ф2 = Ф1 [1 – 0,0085 (T2 – T1] (3.1) Люцареву принадлежит первая попытка определить влияние рН морской воды на интенсивность свечения РОВ [55]. По Люцареву, флюоресценция РОВ разгорается с ростом рН согласно выражению Ф2 = Ф1 [1 + 0,11 (pH2 – pH1] (3.2) Тушение флюоресценции РОВ кислородом специально не исследовалось. Кислород является сравнительно слабым тушителем «быстрой» флюоресценции [62], поэтому он не должен оказывать заметного влияния на интенсивность свечения РОВ. Подтверждением тому могут служить наблюдения в Готландской впадине Балтийского моря [24]. Здесь постоянно существует верхний богатый кислородом слой с теплой водой и глубинный почти бескислородный слой, воды которого холоднее на 10–12°С. Их разделяет прослойка с экстремально высокими вертикальными градиентами температуры и концентрации кислорода. В этой прослойке следует ожидать резкое увеличение яркости свечения РОВ при переходе от верхнего слоя в нижний, если флюоресценция РОВ действительно подвержена температурному тушению и тушению кислородом. Однако профили интенсивности флюоресценции РОВ, зарегистрированные зондом-флюориметром в этой впадине, не реагировали на резкие вертикальные изменения температуры и содержания кислорода. Оценки корреляции интенсивности свечения РОВ 45 с концентрацией кислорода в открытом океане (см. раздел 3.4) согласуются с представлением о малости кислородного тушения флюоресценции РОВ. I* 3.2. Основные черты распределения интенсивности флюоресценции растворенных органических веществ в океане Уже по данным Калле [119] было видно, что интенсивность флюоресценции РОВ (ИФРОВ) может меняться в океане на два порядка своей величины. Он первый обратил внимание на увеличение яркости свечения вблизи устьев рек и в прибрежной зоне, что подтвердилось наблюдениями других авторов [56, 97 и др.]. Измерения Калле [118] в Северной Атлантике в пробах воды, взятых на разрезах протяженностью тысячи миль, выявили горизонтальные и вертикальные неоднородности распределения ИФРОВ на глубинах от 0 до 3000 м, которые, однако, не имели видимой связи с основными океанологическими характеристиками. Выполнив измерения в пробах воды из Тирренского моря, Иванов [112] и здесь обнаружил горизонтальные неоднородности флюоресценции РОВ. Карабашев с соавторами [37] измеряли ИФРОВ в пробах воды во время 5-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев», маршрут которого проходил через внутренние моря, зоны шельфа, системы экваториальных и пограничных течений, зоны подъема и опускания вод и тем самым позволил охватить наблюдениями самые разнообразные океанологические ситуации. Некоторые результаты этих наблюдений приведены в табл. 3.1. Из нее следует, что ИФРОВ менялась в 50–70 раз по маршруту рейса, причем Таблица 3.1 Интенсивность флюоресценции РОВ некоторых районов в процентах от ее интенсивности в южной части Балтийского моря для максимумов полос свечения, возбуждаемых линиями ртути 313, 365 и 436 нм Район Южная Балтика, открытое море Северное море Пролив Ла-Манш Бискайский залив Шельф Пиренейского полуострова Канарское течение Панамский залив Экваториальная зона Тихого океана Впадина Тонга Зап. субтропическая часть Тихого океана Южная тропическая часть Тихого океана Саргассово море 46 Глубина, м 313 365 436 0 100 100 100 0 0 0 0 0 0 10 10 000 0 50 0 82 29 21 6,5 7,6 7,6 5 7,7 2,5 1,4 5,4 87 28 16 5.1 9,7 9,7 4,6 8,1 2,3 2 4,2 86 36 следы - в олиготрофных водах южной части тропической зоны Тихого океана, отличающихся рекордной прозрачностью, она была минимальной. Интенсивность свечения вод Балтийского моря возрастает в несколько раз с переходом от открытого моря к прибрежной зоне [119], так что с учетом этих данных и табл. 3.1 размах изменений ИФРОВ по Мировому океану должен превышать сто крат. По рекогносцировочным измерениям, выполненным на пробах воды и потому сравнительно малочисленным, складывалось впечатление о том, что флюоресценция РОВ в деятельном слое открытого океана изменяется вместе с характеристиками его биологической продуктивности. . Последующие наблюдения с помощью зонда-флюориметра [31, 32 и др.] полностью подтвердили это впечатление и позволили установить, что горизонтальная макромасштабная изменчивость ИФРОВ быстро убывает с переходом от деятельного к промежуточному слою океана. Этот вывод неплохо иллюстрируют материалы наблюдений Соловьева и Гринберга [67] в Индийском океане. На рис. 3.3 представлен ход ИФРОВ в полосе от 65° до 67° в. д., зафиксированный ими в достаточно короткий срок (около месяца), чтобы на результатах не сказывались сезонные колебания флюоресценции. Согласно синхронным определениям гидрологических характеристик, океанологическая ситуация во время измерений флюоресценции мало отличалась от средней многолетней, что дает возможность привязать ход ИФРОВ к зонам подъема и опускания вод, известным по литературе [82]. В слое 1 на рис. 3.3 океанологические характеристики почти не менялись по вертикали, слой 4 залегал преимущественно под верхней границей пикноклина, в слоях 2 и 3 она появлялась и исчезала с изменением океанологической ситуации вдоль разреза. Последняя во многом зависела от вертикального движения вод, что и отразилось на меридиональном ходе ИФРОВ (рис. 3.3). В слое 0–25 и, особенно, 25–50 м три мощных максимума флюоресценции совпадали с зонами подъема вод – южной тропической дивергенцией, северной экваториальной дивергенцией и апвеллингом к северо-западу от п-ова Индостан. В районах с опусканием вод – при южной субтропической и экваториальной конвергенциях – ИФРОВ была слабой и одинаковой в обоих слоях. Эти закономерности были менее выражены в слое 50–100 м, а от 100 до 150 м их заменила тенденция роста ИФРОВ с юга на север. Относительная изменчивость (коэффициент вариации) интенсивности свечения РОВ в слоях от 0–25 до 100–150 м составила 41%, 55%, 32% и 19% соответственно. Согласно нашим наблюдениям в 17-м рейсе НИС «Академик Курчатов», в фотической толще Тихого океана вдоль экватора (рис. 3.4) ИФРОВ убывала с востока на запад вместе с содержанием фитопланктона не под влиянием скорости подъема вод как таковой, а в связи с тем, насколько близко к поверхности океана залегала граница разнонаправленных потоков, порождавших подъем вод. Сравнение рис. 3.3 и 3.4 показывает, что последний 47 фактор в той же степени способен формировать макронеоднородности ИФРОВ в открытом океане, как и смена знака вертикальной составляющей скорости течения. В интенсивном прибрежном апвеллинге ИФРОВ на поверхности существенно ярче, чем в нижележащих слоях, и потому на океанической периферии такого апвеллинга могут наблюдаться особенно большие горизонтальные Рис. 3.3. Изменения суммарной интенсивности в флюоресценции РОВ в полосе между 65° и 67° в. д. от 15° ю.ш. до 20° с. ш. в Индийском океане (по [82]). 1 – в слое от 0 до 25 м; 2 –от 25 до 50 м; 3 – от 50 до 100 м и 4 – от 100 до 150 м. Ст.– номера станций 22-го рейса НИС «Академик Курчатов». СТК и ЭК – субтропическая и экваториальная конвергенции; ЮТД и СЭД – южная тропическая и экваториальная дивергенции; ПА – прибрежный апвеллинг. градиенты ИФРОВ в верхнем квазиоднородном слое (рис. 3.4 6). Убедительное доказательство влияния адвекции на горизонтальное макрораспределение ИФРОВ впервые было получено во время исследования Антило-Гвианского противотечения [30]. Карты на рис. 3.5 показывают, что в районе Антило-Гвианского противотечения ИФРОВ в поверхностном слое распределялась сравнительно однородно, тогда как на 200 м четко обозначалась полоса вод шириной около 100 миль, в пределах которой ИФРОВ была минимальной. Эта полоса была вытянута по направлению векторов течений и трассировала Антило-Гвианское противотечение. Напротив, по наблюдениям в Индийском океане стрежень течения к востоку от о. Мадагаскар трассировался поверхностным 48 максимумом горизонтального распределения ИФРОВ [18]. Эти примеры указывают на то, что относительный перенос вод через акватории с разным уровнем ИФРОВ служит дополнительным фактором образования крупномасштабных неоднородностей распределения флюоресцирующих РОВ в открытом океане. Рис. 3.4. Изменение океанологических характеристик вдоль экватора (а) и на широтном разрезе от мыса Пакасмайо (б) в Тихом океане. 1–3 – суммарная интенсивность Θ флюоресценции РОВ в слоях 0–25, 50–75 и 75–100 м соответственно; 4 – биомасса фитопланктона Спл в слое фотосинтеза [76]; 5 – глубина залегания верхней границы течения Кромвелла (по [73)). Ст.–номера станций 17-го рейса НИС «Академик Курчатов», L – протяженность разрезов в морских милях, ϕ – западная долгота. В предустьевом районе Балтийского моря переход от открытой его части к устью сопровождается более быстрым ростом яркости свечения РОВ на поверхности, чем в водной толще, и образованием поверхностного максимума ИФРОВ, связанного с опресненными водами [120]. Аналогичный процесс был замечен нами в окрестностях устья р. Ганг (сентябрь 1973 г., 10-й рейс НИС «Дмитрий Менделеев»), где поверхностные максимумы ИФРОВ простирались на десятки миль от берега (рис. 3.6, кривые 3, 4). Тогда же в Бенгальском заливе на удалении 250 миль от ближайшего устья был обнаружен участок моря с сильно опресненной водой в слое 0–15 м, которая флюоресцировала ярче подстилавших ее вод океанической солености (рис. 3.6, кривая 1). При повторных наблюдениях в той же точке в апреле 1977 г. (61-й рейс НИС «Витязь») профиль ИФРОВ оказался типичным для открытого океана, а соленость не имела аномалий в своем распределении (рис. 3.6, кривая 2). Такое расхождение хорошо объясняется 4 Заказ № 698 49 зависимостью течений Бенгальского залива от времени года. Осенью направление генерального переноса вод таково, что воды движутся от устья р. Ганг к точке, где выполнялись станции обоих рейсов, Рис. 3.5. Распределение интенсивности флюоресценции РОВ в районе Антило-Гвианского противотечения на горизонтах 10 (а) и 200 (б) м соответственно. Стрелки – векторы течений, средние для слоя 0–400 м. Жирные прямые – положения гидрологических разрезов, по данным которых построены карты а, б. Пунктиром показано расположение групп станций I–V на рис. 3.8 а весной они текут в обратном направлении. Таким образом, реки с мощным стоком могут выступать одной из причин появления максимумов ИФРОВ в поверхностном слое океана. По-видимому, впервые измерения ИФРОВ в толще океана под деятельным слоем выполнил Калле [118]. Он показал, что в море 50 Ирмингера распределение ИФРОВ имело экстремумы в поверхностном и глубинном слоях и сама интенсивность способна варьировать по вертикали в 4–5 раз. Аналогичные наблюдения Иванова в Тирренском море выявили тенденцию увеличения ИФРОВ с переходом от деятельного слоя к глубинному, причем ниже 75– 100 м вплоть до 2000 м свечение РОВ почти не менялось по вертикали и по акватории обследованного района [112]. Некоторые ре- Рис. 3.6. Вертикальные распределения интенсивности флюоресценции Ф усл. ед. и солености 5 %о в Бенгальском заливе. 1– флюоресценция на ст. 781 10-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев» в западной части залива 18 сентября 1973 г. в 250 морских милях от берега при переносе вод от устья р. Ганг к станции; 2 – то же на ст. 7577 61-го рейса НИС «Витязь» 7 апреля 1977 г. на той же акватории залива при обратном направлении переноса вод; кружки и крестики – соленость на ст. 781 и 7577 соответственно; 3 и 4 – флюоресценция на ст. 783 и 784 на удалении 42 и 31 морских мили от устья р. Ганг. зультаты наших наблюдений в Индийском и Тихом океанах сходны с результатами Иванова. Вместе с тем здесь заметны различия ИФРОВ глубинных слоев на станциях в Индийском и Тихом океанах, а также некоторое сходство профилей ИФРОВ с вертикальным ходом концентрации фосфатов (рис. 3.7). На нескольких станциях разных экспедиций мы делали попытки измерить ИФРОВ в придонном слое. Яркость свечения проб воды из придонного слоя в желобах Тонга и Чагос (глубины 10 и 5,3 км) оказалась такой же, как и в промежуточном слое (табл. 3.1 и рис. 3.7). Возможно, из-за технических трудностей эти пробы были взяты далеко от границы раздела вода–грунт. Напротив, зондированиями в Рижском заливе, близ устья р. Ганг (рис. 3.6) 4* 51 и в перуанском прибрежном районе было обнаружено увеличение ИФРОВ с приближением ко дну. Во время исследования τ РОВ (раздел 3.1) две пробы были доставлены на борт судна вместе с донными отложениями. Фильтраты таких проб светились в не- Рис. 3.7. Вертикальное распределение интенсивности Ф флюоресценции РОВ (сплошные) и содержания фосфатов Р-PO4 (пунктир) в некоторых районах океана. 1 – на ст. 769 в желобе Чагос; 2 – на ст. 765 к западу от Сейшельских островов (Индийский океан, 10-й рейс НИС «Дмитрий Менделеев»); 3 и 4 – на экваторе в Тихом океане (ст. 1456, 122° з. д. и ст. 1460, 145° з. д., 17-й рейс НИС «Академик Курчатов»); 5 – ст. 7631 во впадине Атлантис-II (Красное море, 61-й рейс НИС «Витязь»). сколько раз ярче вышележащих вод. Вероятно, там, где донные отложения богаты органическими соединениями, они могут служить источником поступления флюоресцирующих РОВ в морскою воду. Наблюдения в 61-м рейсе НИС «Витязь» [35] выявили экстремально яркую флюоресценцию во впадине Атлантис II в Красном море в 5–15 м от дна (рис. 3.7). Воды впадины отличаются от вышележащих вод аномально высокой температурой и соленостью. Причины яркой флюоресценции рассолов неясны, так как опреде52 ления содержания в них углерода РОВ дают обычные для океана значения. Возможно, яркое свечение рассолов обусловлено своеобразием флюоресцирующих примесей по сравнению с примесями обычных вод океанов. Таким образом, флюоресценция РОВ, возбуждаемая ультрафиолетовым и видимым излучением распространена в океане повсеместно, и ее интенсивность варьирует более чем на два порядка своего значения. На большей части Мирового океана интенсивность флюоресценции РОВ глубже 300–400 м в несколько раз превышает интенсивность свечения РОВ в деятельном слое. В этом отношении ее распределение подобно вертикальному ходу концентрации биогенных элементов. Неоднородность распределения флюоресценции РОВ по горизонтали меняется с глубиной, будучи наибольшей в деятельном слое. Здесь в открытом океане максимумы горизонтального распределения флюоресценции РОВ приурочены к зонам подъема воды в дивергенциях и апвеллингах. Речной сток способен создавать значительные неоднородности распределения флюоресценции в прибрежных районах и на прилегающих акваториях открытого океана. Неясно, однако, порождаются ли эти неоднородности РОВ континентального происхождения или РОВ, которые образуются в предустьевых районах вследствие их эфтрофикации речным стоком. Повышение ИФРОВ в апвеллингах, дивергенциях, прибрежной зоне и предустьевых районах делает ее распределение по Мировому океану сходным с распределением биологической продуктивности. Течения служат дополнительной причиной формирования экстремумов горизонтального распределения интенсивности свечения РОВ. Факт почти повсеместного разгорания флюоресценции РОВ с переходом от деятельного слоя к подстилающим его водам свидетельствует о том, что большая часть флюоресцирующих РОВ образуется непосредственно в толще океана. Он до сих пор не отражен в зарубежной океанологической литературе и недостаточно учитывается при оценке вклада возможных источников поступления флюоресцирующих РОВ в океан. 3.3. Закономерности вертикального распределения интенсивности флюоресценции растворенных органических веществ в деятельном слое океана После наблюдений Иванова [112] и Карабашева с сотрудниками [17, 24, 37, 120] стало ясно, что на большей части Мирового океана в нижней толще его деятельного слоя интенсивность флюоресценции РОВ увеличивается с глубиной до квазипостоянного значения. Первые исследования этого явления были осуществлены в зоне западных пограничных течений тропической Атлантики [31]. Здесь на 87 станциях 10 разрезов (рис. 3.5) зондом-флюориметром были измерены профили вертикального распределения ИФРОВ и выполнены гидрологические серии. Чтобы проследить за тенденцией роста флюоресценции с глубиной, профили были 53 систематизированы следующим образом (рис. 3.5): группа I – пять профилей с наименьшей интенсивностью в верхнем однородном слое при наибольшей мощности последнего; группа II – профилей с наименьшей интенсивностью в том же слое, но вдвое меньшей его мощностью; группа III – 9 профилей с наибольшей яркостью свечения вод поверхностного слоя и сравнительно частыми нарушениями монотонности ее вертикального хода; группа IV – 5 профилей в проливе Анегада; группа V – 8 профилей в восточной части Карибского моря. Профили, измеренные в границах Антило-Гвианского противотечения, не включались в указанные группы. Средние профили каждой группы имели вид 5-образных кривых. Для их аппроксимации была выбрана так называемая логистическая функция Ф = D (1 + 10a-bz)-1 + Ф0 (3.3) где Ф – интенсивность свечения РОВ на глубине z; Ф0 – интенсивность флюоресценции в верхнем слое моря, с которой начинается рост функции (нижняя асимптота); D = Фмакс–Ф0 – интервал изменения интенсивности с глубиной. Параметры а и b были рассчитаны методом наименьших квадратов по измеренным Ф, Ф0, D и z. О точности аппроксимации средних профилей флюоресценции функцией (3.3) можно судить по рис. 3.8. В группе I отдельные профили сглаживались выражением (3.3) почти так же хорошо, как и их средний профиль. Здесь среднее профилей bI = –0,011 м-1 при коэффициенте вариации, равном 5%. В группе V, где точность аппроксимации среднего профиля была наихудшей, bV= –0,013 м-1 при коэффициенте вариации, равном 26%. Различия оценок параметров распределения флюоресценции по глубине и точности их аппроксимации были обусловлены различиями океанологических ситуаций на разрезах. На станциях, где была измерена первая группа профилей, биологическая продуктивность была низкой, мощность верхнего квазиоднородного по флюоресценции и температуре слоя составляла 80–90 м и коэффициент вариации обеих величин достигал максимума в верхней части термоклина на 100–170 м (рис. 3.8). В районе III группы станций, где биологическая продуктивность была наибольшей сравнительно с другими разрезами, коэффициенты вариации флюоресценции и температуры были довольно велики во всей исследованной толще. Группа V располагалась над восточным склоном подводного хребта Авес, на который набегает Гвианское течение, вызывая подъем вод в средней, самой высокой части хребта. Как раз там точность аппроксимации профилей ИФРОВ выражением (3.3) была наихудшей. В целом эти наблюдения показали, что в различных океанологических ситуациях в слое 0–300 м имела место одна и та же закономерность увеличения флюоресценции по вертикали, но местные условия влияли на конкретные проявления этой закономерности – профили интенсивности свечения РОВ на отдельных станциях. 54 Последовавшие наблюдения подтвердили мнение о том, что названная закономерность выполняется на большинстве акваторий океана [32, 66, 67, 123]. На материалах этих наблюдений мы проверили применимость выражения (3.3) для аппроксимации профилей ИФРОВ из иных районов океана, а также пригодность другого выражения логистической функции с единственным размерным параметром ⎡ ⎛Φ ⎤ ⎞ Φ = Φ макс ⎢1 + ⎜⎜ макс − 1⎟⎟e − qz ⎥ ⎠ ⎣ ⎝ Φ0 ⎦ −1 (3.4) где Фмакс – ИФРОВ под деятельным слоем (верхняя асимптота); q – параметр; остальные величины – как в (3.3). Кроме 87 профилей из района Антило-Гвианского противотечения, выражениями (3.3) и (3.4) были сглажены 34 профиля из нескольких районов Индийского океана и 32 профиля из тропической зоны Тихого океана (10-й рейс НИС «Дмитрий Менделеев» и 17-й рейс НИС «Академик Курчатов» соответственно). Несмотря на различия океанологических ситуаций, оценки параметров в выражениях (3.3) и (3.4) и точности сглаживания ими измеренных профилей оказались сходными в указанных выборках. Для параметра q, например, были найдены средние значения -0,014, -0,016 и -0,019 м-1 с коэффициентами вариаций 24%, 43% и 47% соответственно. Как правило, точность аппроксимации профиля из того или иного района океана была тем выше, чем менее были развиты там динамические процессы, и в благоприятных условиях погрешность аппроксимации не превышала 7–10% от текущих измеренных значений интенсивности флюоресценции. Оба выражения аппроксимировали профили флюоресценции РОВ с приблизительно одинаковой точностью. Для выяснения закономерностей формирования профилей ИФРОВ в деятельном слое океана особую ценность представляют материалы наблюдений 17-го рейса НИС «Академик Курчатов». В экваториальной зоне Тихого океана и в апвеллинге у побережья Перу впервые удалось проследить за изменениями формы профилей при переходе от максимально продуктивных вод к акватории открытого океана с низкой биологической продуктивностью [32]. На рис. 3.9 приведен ряд профилей ИФРОВ, измеренных в этом рейсе. Как и в малопродуктивных водах Атлантического и Индийского океанов, в экваториальном олиготрофном районе Тихого океана на 155° з. д. (ст. 1461) флюоресценция была минимальна и почти постоянна в верхнем квазиоднородном слое мощностью 120–125 м. С запада на восток она росла на поверхности быстрее, чем под пикноклином (ст. 1458–1454 на рис. 3.9), в том же направлении увеличивалась и биологическая продуктивность вод. Еще большая изменчивость ИФРОВ на поверхности и меньшая – в глубинном слое наблюдалась близ побережья Перу. На мористых станциях 1469 и 1470 профили имели сложную форму, но в среднем ИФРОВ под пикноклином была одинаковой (рис. 3.9). С приближением к центру апвеллинга усилился поверхностный максимум, 55 Рис. 3.8. Вертикальные профили статистических характеристик распределений интенсивности Ф флюоресценции РОВ и температуры воды Т°С, найденные для групп станций I–V на рис. 3.5. 1 и 3 – средние значения флюоресценции и температуры, 4 и 5 – их коэффициенты вариации; 2 – логистическая функция (3.3), аппроксимирующая средние профили флюоресценции. 56 а в центре пятна поднявшихся вод (ст. 1473) ИФРОВ на поверхности океана более чем вдвое превысила интенсивность свечения поверхностного слоя на ст. 1469 и 1470, оставаясь неизменной под пикноклином. Медленность течений и почти постоянная высокая соленость поверхностных вод у побережья Перу [75] указывали на то, что поверхностный максимум ИФРОВ в центре апвеллинга не мог появиться благодаря континентальному стоку, Рис. 3.9. Измеренные вертикальные распределения интенсивности Ф флюоресценции РОВ (а) [1-4 – ст. 1461, 1458, 1456 и 1454 от 155 до 97° з. д. (экватор, Тихий океан, 17-й рейс НИС «Академик Курчатов»); 5–7 – ст. 1469, 1470 и 1473 того же рейса в перуанском прибрежном районе]; (б) гипотетические семейства относительных вертикальных распределений флюоресценции РОВ, отвечающие водам различной биологической продуктивности (1 – олиго- и мезотрофные зоны; 2 – районы подъемов вод в открытом океане; 3 – прибрежные апвеллинги; 4 – предельно продуктивные акватории океана). К – отношение интенсивности флюоресценции на глубине z к интенсивности во внутреннем однородном слое океана. осадкам или поступлению вод из других районов океана, а представлял собой явление, присущее акваториям с предельно высокой биологической продуктивностью. Таким образом, основную закономерность изменения вертикального хода ИФРОВ в деятельном слое Мирового океана можно представить семейством профилей, форма которых связана с биологической продуктивностью вод (рис. 3.9, б). Малопродуктивным водам отвечают профили с максимальными положительными вертикальными градиентами интенсивности свечения, а предельно продуктивным – профили с максимальными отрицательными градиентами. С ростом биологической продуктивности убывает глубина залегания слоя максимальных градиентов ИФРОВ, все кривые под этим слоем устремляются приблизительно к одному и тому же уровню, отвечающему середине диапазона относительных изменений ИФРОВ в Мировом океане. 57 Поскольку высокопродуктивные зоны занимают в нем малую часть, описанная эмпирическая закономерность гораздо чаще подтверждалась данными наблюдений из олиго- и мезотрофных акваторий, чем из эфтрофных. Тем более важно то, что эта закономерность полностью подтвердилась нашими последующими наблюдениями в 1976–1983 гг., в том числе дважды в высокопродуктивном перуанском прибрежном районе. Появилась и зарубежная публикация [123] с профилями ИФРОВ, измеренными в интервале глубин 0–300 м на 6 станциях по 20° с. ш. от 18°10' до 41°40' з. д. в Северном Экваториальном течении Атлантического океана. Форма четырех профилей отвечает типу 1 на рис. 3.96, и, по сведениям автора [123], они измерялись как раз в малопродуктивном районе. Пятый из них, имеющий переходную форму между типами 2 и 3, был измерен в апвеллинге западнее Африки. Только шестой профиль с подповерхностным максимумом, зарегистрированный в открытом океане, отличается от монотонных кривых на рис. 3.96, хотя он и был получен на акватории, где изобиловал фитопланктон [123]. Подобные или более сложные профили имеются и в нашем массиве данных и наблюдаются в зонах смещения разнородных вод. Существование закономерности, одинаковой на акваториях с различными океанологическими условиями, должно быть связано с действием общего механизма формирования профилей ИФРОВ. По виду профилей из мало- и среднепродуктивных районов, в которых чаще всего выполняются наблюдения, можно было полагать, что рост ИФРОВ с глубиной вызывается распадом флюоресцирующих РОВ в подповерхностном слое под действием коротковолновой солнечной радиации. После первых применений зондафлюориметра такой механизм представлялся вполне вероятным. Для проверки действенности разложения флюоресцирующих РОВ ультрафиолетовым излучением был поставлен специальный опыт во время исследования спектров свечения РОВ в Балтийском море [25]. Он состоял в том, что проба воды в течение 5 ч подвергалась воздействию УФ-излучения с длиной волны 365 нм. Интенсивность свечения пробы после экспозиции не изменялась против первоначальной. Этот результат согласуется с данными Армстронга и соавторов [85]. Они использовали ртутную лампу мощностью 1200 Вт и показали, что фотоокисление РОВ завершается в течение часа, но лишь под действием УФ-излучения с длинами волн до 250 нм. а более длинноволновая радиация не вызывает заметные изменения показателя поглощения и содержания углерода РОВ в пробах морской воды. Излучение с длинами волн до 250 нм отсутствует в спектре солнечной радиации на поверхности океана, и потому оно не способно влиять на концентрацию флюоресцирующих РОВ в его толще. Тем не менее Крамер [123] вновь обратился к гипотезе фотораспада. Он взял фильтрат морской воды из прибрежной зоны Северного моря и, выставив его в кварцевом сосуде на дневной свет, периодически измерял свечение фильтрата из этого сосуда 58 и из аналогичного, но затемненного. За 20 сут флюоресценция в первом из них упала на 60%, а во втором осталась прежней. К этой работе примыкает публикация Стюарта и Ветцеля [144]. По их данным, флюоресценция озерной воды (возбуждение на 365 нм, свечение при 460 нм) убывала за 4 мин на 50% и вовсе исчезала за 16 мин. В то же время поглощение света при 250 нм убывало гораздо медленнее, а в некоторых образцах осталось неизменным при угасании флюоресценции. Авторы не приводят доказательств того, что поглощение света водами озера было обусловлено только РОВ. Данные опытов по фотораспаду РОВ в океане малочисленны и противоречивы, по ним трудно определить роль этого процесса в формировании профилей ИФРОВ. Если бы она была заметна, то следовало бы ожидать преобладания профилей с экспоненциальным возрастанием ИФРОВ от поверхности до глубин 15–30 м, где УФ солнечная радиация ослабляется на порядок по интенсивности даже в прозрачных водах открытого океана. Однако в нашем массиве профилей, половина из которых приходится на тропическую зону, такие профили не преобладают, и довольно многочисленны случаи, когда вертикальный ход начинается со слабого поверхностного максимума. В этом отношении показательны результаты наблюдений в Индийском океане. Здесь восточнее о. Мадагаскар было пересечено течение южного направления и обнаружено, что на профилях свечения PОB в пределах течения имеются поверхностные максимумы, а по обе стороны от него они отсутствуют. В 300–500 милях севернее находилась зона с повышенной биологической продуктивностью и вдвое большей яркостью свечения РОВ в верхнем квазиоднородном слое, так что эти максимумы объяснимы переносом вод из указанной зоны. Если бы фотораспад РОВ происходил со скоростью согласно оценкам в [123, 144], то на пути к району наблюдения избыточное свечение на поверхности должно было бы исчезнуть. Яркое свечение обособленной линзы речной воды вдали от берега в Бенгальском заливе (раздел 3.2) также противоречит гипотезе о роли фотораспада РОВ. Иной подход может состоять в том, чтобы объяснить форму профилей ИФРОВ на основе гипотезы Калле об образовании флюоресцирующих органических соединений в море из отмершего фитопланктона. Если бы биохимическое разложение некоторого количества биогенных частиц началось в замкнутом объеме, то в простейшем случае увеличение числа разлагающихся частиц (и, следовательно, содержания флюоресцирующих РОВ) описывалось бы кинетическим уравнением (3.5) dn / dt = p& n − gn 2 где p& –средняя скорость разложения взвеси, g – коэффициент замедления роста числа разлагающихся частиц. Полагая, что в море 59 частицы оседают со скоростью (3.5), получим dn p g = n − n2 dz V V V=dz/dt, и заменяя переменную в (3.6) Приняв Ф ~ n, разделив переменные в (3.6) и проинтегрировав его при условии n|z = 0 ~ Ф0 и n|z >> 0 ~ Фмакс, легко получить выражение (3.4), так что q = p V − 1 . (3.7) Выражение (3.7) позволяет оценить скорость оседания взвеси, если известны q и скорость поступления флюоресцирующих РОВ в море. В литературе нет сведений о величине ṗ , но, опираясь на сходство вертикальных распределений биогенных элементов и ИФРОВ, довольно тесную корреляцию между ними и тот факт, что они имеют общий источник – разлагающуюся биогенную взвесь, воспользуемся определениями скорости регенерации биогенных элементов из отмершей взвеси. Согласно [133], за первые 30-50 сут, когда скорость разложения взвеси велика и постоянна, ṗ = –0,03 сут-1 для растворенного органического азота. По [107], для фосфатов ṗ = –0,04 сут-1. Учитывая близость этих величин, подставим в (3.7) ṗ = 0,03...0,04 сут-1 и q = –0,012 м-1, найденное при аппроксимации измеренных профилей ИФРОВ выражением (3.4) (для олиготрофных вод), и получим V = 3 м/сут. Такая оценка хорошо согласуется со скоростью оседания фитопланктона средней крупности в океане [142]. Величина ṗ меняется в океане сравнительно мало [107, 133] и V = U + W, где W – вертикальная составляющая скорости течения, U – скорость оседания взвеси при W = 0. Поэтому форма профилей ИФРОВ должна зависеть от плавучести фитопланктона, знака и модуля вертикальной составляющей скорости течения. Тем самым объяснима связь между формой профилей ИФРОВ и биологической продуктивностью вод. В олиго- и мезотрофных водах, где W может отсутствовать или быть направленной в надир, скорость седиментации взвеси максимальна, и отмерший планктон покидает верхний квазиоднородный слой прежде, чем в воду поступит основная масса веществ, из которых образуются флюоресцирующие РОВ. Поэтому на малопродуктивных акваториях профили ИФРОВ имеют минимальную интенсивность в верхнем мощном квазиоднородном слое. Если U > 0, W < 0 и |U| ≈ |W|, то Ф ≠ Ф(z). Подобные профили наблюдались на океанической периферии перуанского апвеллинга. При интенсивном подъеме вод |U| < |W|, восходящий поток прижимает частицы взвеси к поверхности моря, здесь они отдают вещества, потребные для образования флюоресцирующих РОВ, и потому развитым апвеллингам присущи максимумы ИФРОВ на поверхности океана. 60 Подобный механизм формирования ИФРОВ следует рассматривать лишь как основную тенденцию, на которую накладывается действие факторов иной природы, способных влиять на распределение растворенных и взвешенных органических веществ в океане. Эта тенденция лучше всего проявляется при экстремальных скоростях вертикальных движений вод, из-за чего в большинстве случаев измеренные профили ИФРОВ имеют более сложную форму, нежели монотонные кривые, описываемые выражениями (3.3) и (3.4). Судя по нашему массиву данных, главной причиной появления экстремумов на профилях ИФРОВ выступает смещение по-разному стратифицированных вод. 3.4. Соотношение между интенсивностью флюоресценции растворенных органических веществ и океанологическими характеристиками Для понимания природы флюоресцирующих РОВ и практических целей важно знать, как связана интенсивность свечения РОВ с факторами среды. Благодаря стабильной вертикальной стратификации океана по основным его характеристикам и единообразию формы профилей ИФРОВ в пределах акваторий одинаковой трофности профили ИФРОВ коррелируют с профилями океанологических характеристик. Насколько тесной может быть такая корреляция, показывает табл. 3.2 [39]. Последующие отечественные и зарубежные Таблица 3.2 Коэффициенты корреляции профилей ИФРОВ с профилями температуры (T), солености (S), содержания кислорода (О2) и интенсивности рассеяния света частицами взвеси (Р) по материалам 12-го рейса НИС «Академик Курчатов» в западной части тропической зоны Атлантического океана м r(Ф-T) r(Ф-S) r(Ф-О2) r(Ф-Р) —0,95 0,64 —0,93 —0,82 Макс. —0,44 0,98 —0,54 —0,43 Мин. σ —0,99 —0,80 —0,99 —0,98 0,05 0,35 0,06 0,08 ν1 5,6 —1,9 2,6 0,9 ν2 40 3,4 7,9 0,2 П р и м е ч а н и е : М — средние; Макс.— наибольшие и Мин.— наименьшие значения коэффициентов корреляции; σ — среднее квадратическое отклонение; ν1 и ν2 — коэффициенты асимметрии и эксцесса. исследования выявили, что и в других районах океана степень подобия профилей ИФРОВ и профилей океанологических характеристик близка к оценкам в табл. 3.2. За исключением апвеллингов и прибрежной зоны, где профили ИФРОВ могут иметь максимумы на поверхности моря, в деятельном слое направленность вертикальных изменений флюоресценции РОВ, как правило, подобна направленности изменений плотности воды и концентрации биоген61 ных элементов и противоположна — температуры, показателя рассеяния света, содержания растворенного кислорода и биогенной взвеси. Гораздо сложнее связь между горизонтальными вариациями океанологических характеристик и интенсивности флюоресценции РОВ. Связь флюоресценции РОВ с соленостью и температурой морской воды. В прибрежной зоне при наличии речного стока флюоресценция обратно пропорциональна солености морской воды в силу очевидной причины — поступления пресных вод, богатых флюоресцирующими органическими веществами [56, 97, 119, 120]. В экваториальной зоне Тихого океана [37] и в районе западных пограничных течений тропической Атлантики [39] флюоресценция во всей толще деятельного слоя варьировала по горизонтали вне связи с колебаниями температуры и солености. Та же картина наблюдалась в открытой части Балтийского моря, где соленость не превышала 12%o [24]. Согласно нашим оценкам по данным 22-го рейса НИС «Академик Курчатов» в Индийском океане, связь флюоресценции с соленостью и температурой сильно меняется с глубиной. Эти оценки были сделаны раздельно для разреза по 65—67° в. д. от 15° ю. ш. до 20° с. ш. и для остальных станций экспедиции и приведены на рис. 3.10. Вдоль разреза в подповерхностном слое соленость и флюоресценция менялись совместно, ниже вплоть до 100 м связь между ними не имела значимых отличий от 0, а между 125 и 200 м вариации флюоресценции были пропорциональны изменениям солености. Обратная зависимость флюоресценции и температуры в слое 0— 30 м сменилась прямой на глубинах 150—200 м. Профили коэффициентов r(ИФРОВ—T°С) на разрезе и вне его оказались сходными. Для станций вне разреза положительная корреляционная связь солености и флюоресценции действовала во всей толще 0— 200 м. Накопленные сведения позволяют заключить, что количественные характеристики тесноты связи между интенсивностью флюоресценции РОВ и температурой или соленостью морской воды варьируют в широких пределах в зависимости от океанологической ситуации. Связь между флюоресценцией РОВ и концентрацией водородных ионов рН. Попытка выявить связь между значениями рН и ИФРОВ была предпринята нами в Балтийском море в 1970 г. На 15 станциях в различных его районах было взято 60 проб воды от поверхности до дна, и в них по стандартной методике прибором ЛПУ-1 измерены рН. Оценки корреляции между рН и ИФРОВ, измеренной зондом на горизонтах взятия проб, показали, что при изменении рН от 7,2 до 8,7 связь между ними отсутствовала. Она не была обнаружена и в тропической зоне Тихого и Атлантического океанов [37]. Связь между флюоресценцией РОВ и содержанием растворенного кислорода О2. Выше упоминались результаты наблюдений в Готландской впадине Балтийского моря, которые указывали на 62 независимость вертикального хода ИФРОВ от скачкообразного изменения О2 в толще моря [24]. Связь ИФРОВ с О2 в открытом океане впервые исследовалась на разрезе по 160° з. д. от 10° с. ш. до 20° ю. ш. (Тихий океан, [37]). При изменении содержания О2 от 3 до 5 мл/л в слое от 0 до 140 м флюоресценция и содержание кислорода варьировали независимо друг от друга. В работе [38] Рис. 3.10. Вертикальные распределения оценок коэффициентов корреляции между горизонтальными изменениями флюоресценции РОВ и температуры г (Т — Ф), солености г (S — Ф), показателя рассеяния под прямым углом г (с9о0 — Ф) в Индийском океане (22-й рейс НИС «Академик Курчатов»). а — по наблюдениям в полосе между 65 и 67° в. д. от 15° ю. ш. до 20° с. ш.; б — к западу от той же полосы. Горизонтальные отрезки — доверительные интервалы при 95 %-ном уровне значимости. Кружки — оценки корреляции температуры и солености с широтой. сравниваются результаты стандартных определений О2 в пробах воды из толщи от 0 до 300 м с результатами синхронных измерений ИФРОВ зондом-флюориметром в западной тропической Атлантике. В верхнем и глубинном слоях коэффициенты корреляции не имели значимых отличий от 0, но между 80 и 170 м они достигали —0,6, значимо отличаясь от нуля. В том же слое 80— 170 м залегала верхняя граница пикноклина. Возможно, отрицательная корреляция средней силы в этом слое объясняется тем, что кислород быстрее расходуется в пикноклине в процессе разложения биогенной взвеси с образованием флюоресцирующих РОВ. Наши наблюдения на разрезах по 7°, 9° и 15° ю. ш., выполненные совместно с гидрохимическими определениями в перуанском прибрежном районе (1978 г., 20-й рейс НИС «Дмитрий Менделеев»), позволили оценить корреляцию ИФРОВ — О2 в предельно 63 продуктивных водах. По этим данным были сформированы выборки для квазиоднородного слоя 0—10 м, слоя с максимумом хлорофилла 15—40 м и слоя под верхней границей пикноклина 140—180 м. Только в нижнем из слоев горизонтальные вариации ИФРОВ и О2 были связаны отрицательной корреляцией средней силы. В нем среднее содержание О2 на порядок меньше, чем в вышележащих слоях, тогда как РОВ светились слабее лишь в 1,5 раза. Представляется, что и в этом случае отрицательная корреляция между ИФРОВ и содержанием О2 обусловлена потреблением кислорода при образовании РОВ из отмерших частиц. В верхних слоях действовали факторы изменчивости содержания О2 (обмен с атмосферой, фотосинтез), которые прямо не влияют на содержание флюоресцирующих РОВ. Поэтому в эфтрофном районе Тихого океана, как и в олиготрофном районе Атлантического, флюоресценция РОВ и содержание кислорода в поверхностном слое изменялись независимо друг от друга. Связь между интенсивностью флюоресценции РОВ и содержанием взвешенных частиц. Существование связи между горизонтальными вариациями содержания взвешенных частиц (или показателя рассеяния света) и ИФРОВ впервые выявил Иванов [112]. Он показал, что в Тирренском море в слое 0—75 м обе величины менялись сходным образом (коэффициент корреляции 0,76), а на глубинах 75—2000 м они не зависели друг от друга. Сходный результат был получен в тропической зоне Тихого океана, где коэффициент корреляции ИФРОВ с рассеянием в слое 10—20 м составлял 0,94, тогда как на 120—130 м — лишь 0,15 [29]. Более подробные сведения о соотношении флюоресценции РОВ и рассеяния света взвешенными частицами удалось получить, рассчитав вертикальный ход коэффициента корреляции между ними по данным измерений зондом-флюориметром на 48 станциях 22-го рейса НИС «Академик Курчатов» в Индийском океане. На рис. 3.10 приведены оценки коэффициентов корреляции между горизонтальными изменениями ИФРОВ и интенсивности рассеяния света для станций разреза по 65°—67° в. д. и для западной части Индийского океана от о. Мадагаскар до Аденского залива. В поверхностном слое ИФРОВ и рассеяние не коррелированы, в слое 15—50 м в обоих выборках между ними существовала положительная связь средней силы, но ниже вертикальный ход корреляции на разрезе и вне его оказался различен. Вне разреза флюоресценция и рассеяние под 75 м не коррелировали, а на разрезе они были связаны обратной зависимостью средней силы. Последнее можно объяснить чередованием зон подъема и опускания вод вдоль разреза. Приведенные сведения о соотношении флюоресценции РОВ и показателя рассеяния получены на акваториях, где преобладали частицы взвеси биологического происхождения. Таким образом, данные, полученные в разнообразных условиях, согласуются между собой и показывают, что интенсивность свечения РОВ и содержание биогенной взвеси (или рассеяние света ею) меняются по го64 ризонтали сходным образом над верхней границей сезонного пикноклина, а под ним они чаще всего не связаны между собой. Связь между интенсивностью флюоресценции РОВ и биогенными элементами. Для оценки связи ИФРОВ с концентрацией биогенных элементов мы воспользовались результатами гидрохимических определений, выполнявшихся в рейсах НИС «Академик Курчатов» и «Дмитрий Менделеев» одновременно с флюориметрическими наблюдениями в интервале глубин от 0 до 140—250 м. По этим данным были составлены выборки пар значений ИФРОВ и концентрации биогенных элементов, и для каждой выборки рассчитаны основные характеристики распределений и коэффициенты корреляции исследуемых величин. Они составлялись для верхнего квазиоднородного слоя и для слоя воды под верхней границей сезонного пикноклина. Коэффициенты корреляции между флюоресценцией РОВ и содержанием фосфатов в слое ниже пикноклина значимо отличались от 0 в Индийском и Тихом океанах в водах с самой различной биологической продуктивностью. За исключением одной из выборок Индийского океана, между концентрацией фосфатов и ИФРОВ в глубинном слое действовала связь большой силы (коэффициент корреляции >0,7). Напротив, в подповерхностном слое океана оценки корреляции между теми же величинами колебались в широких пределах и не всегда значимо отличались от 0. В выборках с нитратами различия коэффициентов корреляции в верхнем и глубинном слоях были менее выраженными, а модули коэффициентов были ближе к нулю, чем в выборках с фосфатами. Связь между интенсивностью флюоресценции РОВ и содержанием растворенных органических веществ. Тесная связь ИФРОВ с показателем поглощения света фильтрованной морской водой, зависимость обеих величин от наличия в ней растворенных органических соединений и пропорциональность поглощения концентрации вещества заставляют ожидать, что между ИФРОВ и концентрацией РОВ в море существует тесная зависимость. К сожалению, строгая проверка этого предположения пока невозможна, так как состав морских РОВ изучен плохо, и общепринятые методики их определения дают лишь содержание отдельных компонентов. Чаще всего определяют концентрацию углерода РОВ Сорг, и для оценки концентрации самих РОВ пользуются удвоенным значением Сорг [65]. Уже первые сопоставления ИФРОВ и Сорг показали, что их вертикальные распределения существенно различны. «В настоящее время исследователи, изучающие РОВ в океане, единодушны лишь в одном: содержание Сорг с глубиной уменьшается, происходит это главным образом в верхних слоях 200—400 м. По другим вопросам высказываются часто взаимоисключающие точки зрения» [64]. Как было показано выше, уменьшение флюоресценции РОВ с глубиной наблюдается лишь в районах с предельно высокой биологической продуктивностью и в предустьевых районах, т. е. на ничтожной части Мирового океана. 5 Заказ № 698 65 Чтобы узнать, в какой степени связаны между собой горизонтальные вариации содержания Сорг и ИФРОВ, по материалам трех экспедиций были сформированы выборки пар значений Сорг и интенсивности флюоресценции РОВ, измеренных на одних и тех же станциях и глубинах, и для этих выборок были рассчитаны основные статистические характеристики и коэффициенты корреляции. Их оценки для Индийского океана, найденные по данным 10-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев» и 22-го рейса НИС «Академик Курчатов», приведены в табл 3.3. Маршруты этих рейсов пролегали в тропической зоне и частично перекрывались, охватывая районы с весьма различными оптическими свойствами. Видимо, поэтому средние интенсивности флюоресценции в обоих рейсах были близки друг другу, но ее относительная изменчивость была заметно выше в первом из рейсов. Средние значения Сорг отличались в 1,5 раза, причем во втором из рейсов они почти совпали со средними многолетними Сорг = 1,7 мг/л для слоя 0—200 м в Индийском океане [64]. Оценки коэффициентов корреляции и их доверительных интервалов свидетельствовали о том, что в Индийском океане ИФРОВ и Сорг не были связаны между собой, за исключением слоя 0—50 м по маршруту первого из рейсов. В 20-м рейсе НИС «Дмитрий Менделеев» измерения Сорг и флюоресценции велись в предельно продуктивных водах на разрезах по 7°, 9° и 15° ю. ш. на удалении от побережья Перу до 150 миль. Таблица 3.3 Средние значения и коэффициенты вариации (Сv %) интенсивности флюоресценции ( Φ усл. ед.) и содержания углерода (Сорг мг/л) растворенных органических веществ и коэффициенты корреляции (r) между ними. Индийский океан (по материалам 10-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев» и 22-го рейса НИС «Академик Курчатов»). Глубина, м Φ Сорг Сv Ф r(Ф-Сорг) Dr 95 % Cорг 10-й рейс 0—200 0—50 100—200 50 1,2 116 51 33 75 1,36 1,12 163 77 53 40 0,48 0,71 0,28 0,64—0,26 0,84—0,48 0,63... —0,16 22-й рейс 0—150 0-5 65—150 52 26 80 1,80 54 27 0,04 0,44...—0,39 1,80 1,84 23 21 28 24 —0,30 —0,41 0,59...— 0,86 0,29... —0,83 Примечание. Dr 95 % —доверительные интервалы при 95%-ном уровне значимости. Выборки 0—200 и 0—150 м включают все данные соответствующих рейсов. 66 Результаты аналогичных расчетов по результатам этого рейса приведены в табл. 3.4. На разрезах средние ИФРОВ и Сорг были Таблица 3.4 Средние значения и коэффициенты вариации (Сv %) интенсивности флюоресценции ( Φ усл. ед.) и содержания углерода (Сорг мг/л) растворенных органических веществ и коэффициенты корреляции (r) между ними. на разрезах у побережья Перу (по материалам 20-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев») Глубина, м 0—180 0—10 60—120 140—180 Φ Р Сорг Cv (Ф) Cv (Сорг) r(Ф-Сорг) 95 124 2,8 29 34 0,26 36 37 22 123 134 ПО 2,3 3,0 2,4 22 35 22 30 26 50 0,09 0,39 0,06 27 17 7 140 96 103 2,7 2,7 2,2 24 15 16 35 45 25 0,55 0,04 —0,54 Dr 0,44—0,06 0 , 4 1 . . . — 0,25 0,64—0,08 0 , 4 5 . . . — 0,37 0,77—0,22 0 , 5 1 .. . —0,34 0,36... —0,92 Примечание: Р — объем выборки. Р = 95 — весь массив данных. Р = 36, 37, 22—выборки для разрезов по 7°, 9° и 15° ю. ш. соответственно; выборки с Р=27, 17 и 7 — для отдельных слоев воды по всем разрезам. выше, а относительная изменчивость этих величин меньше, чем в Индийском океане. При этом средние Сорг были близки к предельным для Тихого океана [64]. Тем не менее и у побережья Перу флюоресценция РОВ не коррелировала с Сорг во всех вариантах счета, кроме выборки для подповерхностного слоя, где между ними действовала положительная связь средней силы. Расчет коэффициентов криволинейной корреляции по тем же данным также дал оценки, не имевшие значимых отличий от 0. Связь ИФРОВ с Сорг в Балтийском море исследовалась Георгиевым с соавторами [7]. В отличие от нашей методики, основанной на регистрации ИФРОВ в толще моря, авторы этой работы измеряли ИФРОВ в пробах воды при возбуждении ее лазером на длине волны 337 нм. Их коэффициент корреляции составил около 0,3, подтвердив отсутствие связи между ИФРОВ и Сорг во внутреннем море с высокой биологической продуктивностью. В 17-м рейсе НИС «Академик Курчатов» впервые появилась возможность сравнить изменения ИФРОВ и Сорг с вариациями некоторых величин, характеризующих процессы преобразования органического вещества в океане. Такие наблюдения были выполнены на 4 станциях от 97 до 155° з. д. вдоль экватора, где распределение морских организмов и продуктов их жизнедеятельности сравнительно хорошо известно и стабильно. В табл. 3.5 приведены данные наших измерений на этих станциях вместе с данными из публикаций других участников экспедиции. Из таблицы видно, что: 1) биологическая продуктивность верхнего слоя убывала 5* 67 с востока на запад в несколько раз; 2) величина Сорг вдоль экватора почти не менялась и не коррелировала не только с ИФРОВ, но и с оценками содержания биогенной взвеси, которая в этом районе выступает основным поставщиком РОВ в поверхностный слой океана; 3) интенсивность флуоресценции РОВ менялась вдоль экватора подобно содержанию фосфора РОВ; 4) относительная изменчивость флюоресценции и фосфора РОВ вдоль экватора была в несколько раз меньше относительных вариаций содержания первичных продуцентов органического вещества в океане. Таблица 3.5 Интенсивность флюоресценции (Ф усл. ед.), содержание углерода (Сорг мг/л), фосфора (Рорг мкмоль/л) растворенных органических веществ, хлорофилла «а» (мг/м3), сырой массы бактериопланктона (Б мг м2) и фитопланктона (Фи мг м2) вдоль экватора в Тихом океане в январе—феврале 1974 г. (по данным 17-го рейса НИС «Академик Курчатов») Станция 1454 (97° з. д.) Глубина, м Ф Сорг 0—25 10 0—100 0—150 1069 – 5106 – – – – – Pорг – – – – 1456 (122° з. д.) Хлорофилл 0,74 – – 0—25 547(51) – – – 10 – – – 0,19(29) 0—100 3855 (75) 0,81 (84) 0,17(77) – 0—150 – – – – 1458 0—25 353 (33) – – – (140° з. д.) 10 – – – – 0—100 2253 (44) 0,96 (99) 0,13(59) – 0—150 – – – – 1461 0—25 773 (35) – – – (155° з. д.) 10 – – – 0,12(16) 0—100 1609(32) 1,3(103) 0,08(36) – 0—150 – – – – Б Фи – – – 2,03 – – – 5,42 – – – 2,7(26) – – – 5,7 (55) – – – 2,9 (28) – – – 5,7(11) – – – 8,5(16) – – – 4.4(8) Примечание. В скобках — в процентах от значений на ст. 1454. Ф рассчитаны по формуле трапеций по нашим данным, Сорг и Рорг — по [57], хлорофилл «а» — по [46], Б и Фи — по [69]. N Особый интерес представляют результаты совместных измерений ИФРОВ и биохимических определений [22], выполненных в восточной части Тихого океана (1982 г., 34-й рейс НИС «Академик Курчатов»). В 124 пробах воды, взятых на разных станциях в интервале глубин, доступных зонду-флюориметру, определялось содержание белков, углеводов, липидов, Сорг РОВ методом «мокрого сжигания» и как сумма биохимических фракций, Рорг РОВ и Сорг во взвешенных частицах. Результаты наблюдений были разбиты на 4 группы парных выборок. Первая из них включала данные 68 из подповерхностного квазиоднородного слоя, вторая — из слоя с верхней границей сезонного термоклина, третья — из слоя с его нижней границей и четвертая — из слоя под сезонным термоклином. Для каждой парной выборки были рассчитаны коэффициенты линейной корреляции с их доверительными интервалами при 95 %-ном уровне значимости и найдены оценки асимметрии и эксцесса. Результаты счета сведены в табл. 3.6. Здесь пустые Таблица 3.6 0—10 0,51 0,44 — — — — 35—65 — — — 0,48 — — — — 0,47 — — — — — — — — — 75—110 190—200 r(Ф – Фхл) — r(Ф –ΣPорг) r(Ф – липиды) — r(Ф –ΣCорг) r(Ф – углеводы) 0,39 r(Ф –Pорг) r(Ф-белки) 0—200 r(Ф – Сорг) Глубинаб м Коэффициенты корреляции между интенсивностью флюоресценции растворенного органического вещества и концентрацией биохимических компонентов в нем в восточной части Тихого океана, 1982 г. (по материалам 34-го рейса НИС «Академик Курчатов») — 0,68 0,66 0,91 0,23 0,49 0,41 — — — — 0,48 0,76 0,58 0,41 0,55 0,53 0,53 — — — 0,57 — 0,58 0,64 0,60 0,84 —0,48 — — — 0,53 — — 0,61 0,51 —0,56 — — — 0,69 —0,56 — — Примечание. Количество станций — 27. Общее число измеренных проб для каждого компонента — 282, для слоя 0—10 м —94, 35—65 м—58, 75— ПО м—60, 190—200 м — 70. В верхних строчках — учтены данные всех станций, в нижних — без учета данных станций 3572—3580. ячейки отвечают оценкам корреляции, не имеющим значимых отличий от 0, а жирные цифры — оценкам, значимо отличающимся от 0 и принадлежащим выборкам, близким к нормальным. Такие оценки корреляции являются наиболее достоверными. Обращает на себя внимание, что и в этих выборках не обнаружена устойчивая связь ИФРОВ с Сорг. Флюоресценция лучше коррелировала с Св/орг и особенно с Рорг РОВ. Замечательно также, что связь ИФРОВ с содержанием биохимических фракций РОВ зависела от глубины: в подповерхностном слое ИФРОВ коррелировала с белком, в термоклине— с углеводами, а под ним — с липидами. Накопленные данные позволяют утверждать, что в деятельном слое открытого океана и внутренних морей интенсивность флюоресценции РОВ варьирует по горизонтали в основном независимо от концентрации растворенного органического углерода Сорг. 69 Вместе с тем она связана с концентрацией растворенного органического фосфора Рорг, с концентрацией органического вещества морской взвеси и, в зависимости от глубины, с концентрацией белков, углеводов и липидов. 3.5. Природа флюоресцирующих растворенных органических веществ морской воды Прямой ответ на вопрос о природе флюоресцирующих растворенных органических веществ в море может дать только извлечение их из морской воды и идентификация. Первую попытку такого рода предпринял Момзикофф [131]. Он экстрагировал активированным углем 10—15 г бурого вязкого органического вещества из 20 м3 морской воды, взятой с глубины 5 м в 2 милях от Монако. Им были выделены хроматографически три флюоресцирующих компонента: изоксантоптерин, рибофлавин и люмихром, которые содержались в исходной пробе в концентрациях 10-2, 1,6⋅10-3 и 0,4⋅10-3 мкг/л соответственно. В публикациях Момзикоффа нет сведений о физических характеристиках флюоресценции этих веществ. Выдвинув гипотезу о растительном происхождении флюоресцирующих и окрашенных РОВ морской воды, Калле указал на так называемую реакцию Майара как на наиболее вероятный механизм их образования [119]. В ходе этой реакции в нормальных условиях из углеводов в присутствии аминокислот образуются гидрофильные органические соединения, отличающиеся коричневой окраской — меланоидины, а также продукты, обладающие голубой флюоресценцией. Для проверки своей гипотезы Калле поставил специальные опыты с углеводами и аминами [119]. Он наблюдал появление окрашенных флюоресцирующих соединений, причем с увеличением молекулярной массы исходных углеводов замедлялось образование продуктов реакции. Они хорошо растворялись в воде, ацетоне и низкомолекулярных спиртах. Попытка фракционировать продукты реакции не удалась: хроматограммы имели вид длинной бесструктурной полосы. По мнению Калле, результаты его опытов согласуются с представлениями Эндерса. Он полагал, что особую роль в образовании меланоидинов в природе играет метилглиоксаль (СНз=СО—СНО, температура кипения 72°С), который отщепляется от углеводов и обладает высокой реакционной способностью. В опытах Калле поглощение света и флюоресценция продуктов преобразования метилглиоксаля были выше, чем продуктов преобразования углеводов. Окрашенным РОВ за их цвет Калле дал название «желтое вещество». По Калле, они представляют собой сложный комплекс гумусоподобных соединений, отличных по составу от гумусов почв. Это различие вызвано тем, что «континентальный» гумус образуется из растений, содержащих лигнин, а «морской» — из растений без лигнина. В своих опытах Калле получал окрашенные соединения из различных исходных реагентов и сравнивал спектры поглощения продуктов реакции со спектрами 70 вод суши и океана [119]. Однако эти опыты не могли доказать различия поглощения света «континентальным» гумусом и «желтым веществом», так как Калле не учитывал концентрационную зависимость поглощения, на что справедливо указывал Браун [90]. Образование флюоресцирующих РОВ в соответствии с гипотезой Калле было проверено Люцаревым [55] в опытах, выполненных в стерильных условиях при высоких температурах (95—100°С) и малых концентрациях исходных реагентов — глюкозы и лизина. Люцарев впервые сравнил спектры возбуждения и свечения фильтрованной морской воды и соединений, образовавшихся в опытах. Спектры свечения оказались сходными, а спектры возбуждения сильно отличались. Последнее привело Люцарева к выводу о необходимости дополнительной проверки гипотезы Калле. Он, однако, вряд ли правомерен, так как покоится, возможно, на некорректных оценках спектров возбуждения (см. выше, раздел 3.1). Основной итог опытов Калле и Люцарева состоит в доказательстве возможности формирования окрашенных и флюоресцирующих РОВ в море в ходе реакции Мэйара. Они также показали, что этот процесс сложен и ведет к образованию многих флюоресцирующих продуктов. Крайне скудная информация о природе, свойствах и закономерностях формирования флюоресцирующих РОВ в океане, полученная при попытках их выделения из морской воды и в модельных опытах, может быть дополнена, если обратиться к истолкованию данных о физических характеристиках флюоресценции РОВ, закономерностях ее распределения в океане и связях с основными океанологическими процессами и явлениями. Эти данные хорошо подтверждают гипотезу Калле о флюоресценции фильтрованной морской воды как свойстве органического вещества, образующегося из отмерших растений в океане и в водоемах суши. Именно этим обстоятельством можно объяснить наличие максимумов горизонтального распределения ИФРОВ в деятельном слое океана на акваториях с апвеллингами и в прибрежной зоне (раздел 3.2), где максимальны концентрации фитопланктона и бактерий — основных поставщиков органического вещества вод морей и океанов. Характер связей ИФРОВ с растворенным кислородом, биогенными элементами, содержанием фитопланктона, биогенной взвеси и другими величинами, определяющими или зависящими от накопления РОВ в толще океана (раздел 3.4), также согласуется с гипотезой Калле. Важно и то, что форма профилей ИФРОВ оказалась связанной с биологической продуктивностью деятельного слоя океана, а параметр, определяющий скорость изменения ИФРОВ с глубиной, своими размерностью, знаком и смыслом согласуется с представлениями о формировании РОВ в процессе разложения отмершей биогенной взвеси (раздел 3.3). Вместе с тем гипотеза Калле содержала утверждение о различной природе окрашенных и флюоресцирующих РОВ морской воды. Это утверждение, получившее широкое хождение в литературе, появилось вследствие неоднозначного толкования эмпирических данных. На основании обратной зависимости между 71 соленостью, с одной стороны, и поглощением и флюоресценцией, с другой, и роста отношения флюоресценции к поглощению с уменьшением солености в водах Ботнического и Финского заливов Калле [116] заключил, что в открытом море флюоресцирующие РОВ образуются в большем количестве сравнительно с окрашенными РОВ («желтым веществом»), чем в прибрежной зоне. Но эта зависимость была получена в заливах с сильно опресненными водами с большим содержанием окрашенных РОВ. Поэтому та же закономерность могла получиться вследствие «эффекта внутреннего фильтра» и (или) поступления посторонних окрашенных веществ, а не вследствие ускоренного образования «морских» флюоресцирующих РОВ по сравнению с окрашенными. Найденную зависимость отношения флюоресценции Ф к поглощению κ солености S Калле объяснял смешением вод различного происхождения в Ботническом и Финском заливах [116]. Если это так, правомерно ожидать воспроизведения зависимости при повторных наблюдениях в тех же заливах. Результаты таких наблюдений опубликованы Брауном [90]. Мы воспользовались табличными данными в статьях Калле и Брауна, чтобы оценить воспроизводимость указанной зависимости. В Ботническом и Финском заливах наблюдения Калле дали средние значения солености 4,4 и 6,3о/оо при коэффициентах вариации 24 и 29%, а наблюдения Брауна — 4,05 и 7,4о/оо при 38 и 28% соответственно. Больший размах изменений солености во время наблюдений Брауна благоприятствовал более четкому проявлению зависимости Ф/κ от 5. Однако в выборках Брауна средние Ф/κ равны 5,3 и 5,4 при коэффициентах вариации 16 и 33% против 2,8 и 3,9 при 15 и 40% в выборках Калле соответственно. В обеих выборках Брауна и в выборке Калле для Ботнического залива оценки корреляции между Ф/κ и соленостью не имели значимых отличий от нуля, и лишь в выборке Калле для Финского залива она была значимой и составила 0,86. Сравнение данных наблюдений, выполненных на одних и тех же акваториях в сходных гидрологических условиях, свидетельствует о возможности альтернативного истолкования результатов, на основании которых Калле противопоставлял флюоресцирующие и окрашенные РОВ. Попытка обосновать различия между ними была сделана также Копелевичем [49]. В восточной части Тихого океана он наблюдал слабый максимум вертикального распределения показателя поглощения в слое 100—200 м и, ссылаясь на публикацию [32] о закономерностях вертикального хода ИФРОВ (см. раздел 3.3), сделал вывод о том, что флюоресцирующие и окрашенные РОВ образуются на разных стадиях трансформации биогенной взвеси. Такое сопоставление, однако, неправильно, так как в работе [32] речь шла о плавном возрастании ИФРОВ по вертикали лишь как об основной тенденции. Существуют обширные акватории океана, где в силу постоянно действующих факторов эта тенденция нарушается и формируются профили ИФРОВ со стабильными хорошо выраженными максимумами, например в во72 сточной части экваториальной зоны Тихого океана [19], на экваторе в Атлантическом океане [66] и др. Таким образом, пока нет надежной информации, которая позволила бы определенно высказаться в пользу качественных различий флюоресцирующих РОВ и «желтого вещества». Между тем ряд явлений свидетельствует о сходстве или тождественности флюоресцирующих РОВ и «желтого вещества». Все попытки оценить корреляцию ИФРОВ и показателя поглощения света морской водой приводят к выводу о существовании сильной стохастической связи между ними в самых разнообразных ситуациях (раздел 3.1). Как и флюоресценция РОВ (раздел 3.4), поглощение света «желтым веществом» не связано с Сорг [49]. В согласии с основной тенденцией увеличения ИФРОВ с глубиной в мало- и среднепродуктивных водах (раздел 3.3) наблюдался аналогичный рост поглощения с глубиной [68, 81]. В предельно продуктивных водах ИФРОВ (раздел 3.3) и поглощение света «желтым веществом» [49] максимальны на поверхности океана. Правда, в книге Иванова [13, гл. 15] для мало- и среднепродуктивных вод даны примеры уменьшения по вертикали характеристик, связанных с поглощением. Однако эти характеристики не являются собственно показателем поглощения, а представляют собой комбинацию показателей ослабления света фильтрованной и нефильтрованной водой, причем в книге нет доказательства правомерности такой замены. Далее, исправленные спектры возбуждения флюоресценции РОВ (раздел 3.1), как и спектры поглощения света «желтым веществом» [12], описываются обратной зависимостью соответствующих величин от длины волны. Браун [89] показал, что обратная экспоненциальная зависимость показателя поглощения от длины волны — неотъемлемое свойство сложной смеси веществ, молекулы которых содержат наиболее распространенные хромофорные группы атомов. Столь же неотъемлемым свойством сложной смеси веществ, молекулы которых содержат разнообразные флюорофорные группы атомов, должна быть сильная зависимость спектров свечения от спектрального состава возбуждающего излучения, что и наблюдается в океане (раздел 3.1). В органических молекулах одни и те же группы атомов способны выступать в роли хромофоров и флюорофоров. В этом, видимо, и состоит причина сходства физических характеристик и распределения интенсивности флюоресценции и поглощения РОВ в океане. Оценки излучательного времени жизни τ флюоресценции РОВ и степени ее деполяризации позволяют уточнить представления о степени дисперсности окрашенных флюоресцирующих РОВ. Литературные данные по этому вопросу противоречивы. Ерлов полагает, что такие РОВ хотя бы частично представлены коллоидной фракцией или адсорбированы частицами взвеси [12]. По Калле [119], напротив, молекулы этих РОВ должны быть относительно малыми. Если Ерлов прав, то степень вращательной деполяризации флюоресценции РОВ при комнатной температуре может достигать 0,1—0,2 согласно оценкам на основании соотношения 73 (1.13) при τ = 6 нс. Тот факт, что поляризация флюоресценции РОВ, возбуждаемой поляризованным светом, не превышала нескольких процентов либо вовсе отсутствовала (раздел 3.1), говорит в пользу мнения Калле о малости флюоресцирующих молекул. Судя по степени деполяризации и оценкам τ и учитывая связь этих величин с размерами молекул [выражение (1.13) и табл. 43 в книге Паркера [62]], можно заключить, что молярный объем флюоресцирующих РОВ сравнительно невелик и составляет 102— 103 см3. По данным ультрафильтрации доля низкомолекулярных РОВ растет с глубиной [64], как и ИФРОВ (раздел 3.3), и флюоресценция низкомолекулярных фракций составляет основную долю свечения РОВ морской воды [58]. Поэтому вывод о малости молекул флюоресцирующих РОВ хотя бы качественно согласуется с новейшими сведениями о соотношении размерных фракций РОВ в океане. Для понимания природы флюоресцирующих и окрашенных РОВ важно парадоксальное отсутствие связи между интенсивностью свечения и поглощением, с одной стороны, и концентрацией растворенного органического углерода Сорг — с другой. Независимость свечения и поглощения РОВ от Сорг означает, что та часть РОВ, которая ответственна за оба процесса, составляет малую долю РОВ, присутствующих в морской воде. В видимой и УФобластях спектра за поглощение и флюоресценцию органических молекул ответственны группы атомов с двойными сопряженными связями [62 и др.], которые и выступают как хромофоры и флюорофоры. У веществ с преобладанием одинарных межатомных связей в молекулах полосы поглощения лежат в вакуумной УФ-области спектра. Указанный парадокс можно объяснить тем, что большая часть углерода РОВ входит в молекулы с одинарными связями. Существенно также, что хромофорные группы отличаются, повышенной стойкостью и могут сохраняться при качественном преобразовании органического вещества, переходя от одних его фракций к другим. Этим, видимо, и объясняется тот факт, что ИФРОВ коррелировала с белками в верхнем слое и с липидами — в глубинном (табл. 3.6) в соответствии с общей направленностью процесса трансформации РОВ в сторону увеличения доли его более стойких фракций. Сама по себе корреляция ИФРОВ с белками не означает, что флюоресцируют именно белки. Некоторые из протеинов, или простых белков, обладают флюоресценцией, но лишь в УФ-области спектра, из-за чего их свечение не обнаруживается обычной аппаратурой для измерения ИФРОВ. Скорее всего, связь ИФРОВ с белками обусловлена свечением веществ, поступающих в воду из сложных белков, или протеидов, а также из других веществ небелковой природы, входящих в состав растительных клеток. На это указывает корреляция ИФРОВ с растворенным органическим фосфором Рорг (раздел 3.4). Резкие различия вертикального хода Сорг и ИФРОВ в мало- и среднепродуктивных водах также поддаются истолкованию в рамках гипотезы о переходе фрагментов молекул — носителей флюо74 ресценции— от одних фракций РОВ к другим в процессе качественной трансформации частиц биологического происхождения. Благодаря их оседанию этот процесс развертывается не только во времени, но и по вертикали, начиная с поверхности. В поверхностном слое, где велико содержание «молодого» РОВ, доля флюоресцирующих фрагментов в общей массе РОВ определяется в первую очередь запасом таких фрагментов в прижизненных выделениях планктона или в частицах на начальной стадии их биохимического разложения. Поэтому и Сорг, и флюоресценция с поглощением света становятся максимальными в поверхностном слое предельно продуктивных районов океана. В силу стойкости фрагментов их доля в «старом> РОВ выше, чем в «молодом», и потому на остальных акваториях возможно разгорание флюоресценции при убывании Сорг с глубиной. Глава 4. ФЛЮОРЕСЦЕНЦИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ В ОКЕАНЕ В отличие от флюоресценции РОВ, природа которой еще не вполне ясна, при изучении флюоресценции фотосинтетических пигментов (ФП) имеют дело с вполне определенными соединениями, главным из которых является хлорофилл «а». Оптические свойства этих пигментов давно и активно исследуются. В последние годы развилось новое направление в изучении ФП, нацеленное на выявление особенностей их флюоресценции в толще моря. Этому направлению и посвящена настоящая глава. 4.1. Физические характеристики флюоресценции фотосинтетических пигментов Носителем ФП в океане является фитопланктон – одноклеточные водоросли, парящие в водной толще. Его таксономические группы различаются составом фотосинтетических пигментов, но водоросли любой из них непременно содержат хлорофилл «а» (табл. 4.1). Он играет основную роль в процессе фотосинтеза и способен флюоресцировать в красной области спектра в живых клетках и в растворах неполярных растворителей. Установлено, что ФП в клетках организованы в пигментные системы, среди которых преобладают три типа: хлорофиллы «а» и «b»; хлорофиллы «а» и «с» Таблица 4.1 Фотосинтетические пигменты различных классов морского фитопланктона (по [135]). Пигмент Хлорофилл «а» Хлорофилл «с» Каротин Ксантофиллы: Фукоксантин Неофукоксантин Диадиноксантин Перидинин Лутеин Виолаксантин Миксоксантин Фикобилины Диато- Динофла- Золомовые гелляты тистые +++ ++ +++ +++ ++ +++ +++ + +++ +++ ++ ++ (+) +++ ++ ++ ++ +++ + Зеленые +++ ++ +++ Синезеленые +++ +++ Желтые Кокколитофориды +++ (+) +++ +++ +++ +++ +++ ++ ++ +++ + ++ ++ Примечание: + + + – главный пигмент; + + – чаще всего присутствует; ++ – иногда присутствует; ( ) –присутствие неопределенно. В таблице опущена часть классов и пигментов, представленных в оригинале. 76 +++ плюс каротиноиды; хлорофилл «а» и фикобилины [135]. В клетках водорослей пигменты находятся в особых структурных единицах – хлоропластах, где они тесно взаимодействуют между собой и другими веществами клетки, участвующими в фотосинтезе. Вследствие их взаимодействия оптические характеристики пигментов в живой частице могут заметно отличаться от их оптических характеристик в искусственных средах, и пигментные системы водорослей приобретают свойства, не сводимые к сумме свойств составляющих их пигментов. Одни и те же пигменты (в частности – хлорофилл «а») могут существовать в клетках в разных формах, несколько отличающихся своими оптическими характеристиками [88]. Более того, в натуральной морской воде, кроме живого фитопланктона, непременно присутствуют отмершие клетки водорослей и частицы детрита, пребывающие на разных стадиях биохимического разложения. В таких частицах хлорофилл и другие пигменты утрачивают связи между собой и подвергаются качественной трансформации, вследствие чего изменяются и их флюоресцентные свойства. Например, с потерей атома магния молекула хлорофилла превращается в молекулу феофитина, имеющего иные спектральные характеристики по сравнению с хлорофиллом. Эти и другие обстоятельства чрезвычайно затрудняют оценку физических характеристик флюоресценции пигментов и продуктов их трансформации в натуральной морской воде. Спектры поглощения света живым планктоном зависят от типа пигментной системы, причем поглощение дополнительными пигментами может быть сравнимым с поглощением света хлорофиллом «а» (рис. 4.1). В спектре хлорофилла «а» имеются коротковолновая полоса в сине-фиолетовой области (так называемая полоса Соре) и красная полоса поглощения с длиной волны максимума 678 нм. Последняя представляет собой суперпозицию нескольких элементарных полос с максимумами от 661 до 700 нм с полуширинами до 13–18 нм. Соотношение между элементарными полосами поглощения и их параметры определяются соотношением различных форм хлорофилла «а» в живой частице [88]. Благодаря переносу лучистой энергии, поглощенной дополнительными пигментами, на хлорофилл «а» спектры возбуждения флюоресценции хлорофилла в живых клетках водорослей имеют максимумы не только в полосах поглощения света самим хлорофиллом, но и в полосах поглощения света дополнительными пигментами, лежащих между полосой Соре и красной полосой поглощения света хлорофиллом. Например, спектр возбуждения хлорофилла в сине-зеленых водорослях (рис. 4.2) имеет максимум, отвечающий полосе поглощения света фикоцианином, который отсутствует в водорослях иных классов и флюоресцирует в более коротковолновой области спектра, чем хлорофилл. Если свечение сине-зеленых регистрировать в максимуме флюоресценции фикоцианина, то их спектр возбуждения примет иной вид по сравнению со спектром возбуждения хлорофилла в тех же водорослях. 77 В работе [126] показано также, что спектры возбуждения трех видов фитопланктона, пребывавшего в стадии логарифмического роста и в стационарной стадии, мало отличались друг от друга (рис. 4.2). Подавление фотосинтеза Ciclotella nana путем обработки исследуемых объемов воды детергентом не сопровождалось заметным изменением спектров. Самыми значительными были от- Рис. 4.1. Слева – спектры поглощения красной водоросли Porfiridium, диатомовой Navicula minima, зеленой Chlorella vulgaris. Положение полос поглощения пигментов – по [139]. Справа–спектр флюоресценции водоросли Porfiridium, возбуждаемой в полосах поглощения хлорофилла при 436 нм и дополнительных пигментов при 515 и 546 нм излучением одинаковой интенсивности (по [80]). личия спектров возбуждения хлорофилла в водорослях, неодинаковых по соотношению между хлорофиллом и нефлюоресцирующими дополнительными пигментами. Согласно [126], видовые особенности водорослей дают основной вклад в изменчивость спектров возбуждения фитопланктона. Спектр флюоресценции хлорофилла «а» в клетке не зависит от того, в полосе поглощения какого из пигментов действует возбуждающее излучение, и по сравнению со спектром свечения хлорофилла «а» в органических растворителях несколько смещен в длинноволновую область. Полоса флюоресценции хлорофилла в живых частицах имеет сложную форму. Ее максимум находится при 680–690 нм, а между 710 и 740 нм лежит «плечо», положение и крутизна которого варьируют от одного растения к другому в соответствии с содержанием в клетке различных форм хлорофилла [88]. Если в ней присутствуют флюоресцирующие дополнительные пигменты, то регистрируемый спектр состоит из полос свечения хлорофилла и дополнительных пигментов, соотношение между которыми меняется с длиной волны возбуждения (рис. 4.1). При пониженном содержании фосфатов в морской воде некоторые 78 водоросли становятся гетеротрофными, из-за чего уменьшается концентрация хлорофилла в клетке и в ней появляются пиридиннуклеотиды и окисленные флавопротеины, обладающие флюоресценцией в области 480–530 нм [42]. Их свечение усложняет спектры флюоресценции фитопланктона. Рис. 4.2. Спектры возбуждения культур водорослей различных таксономических групп (по [126]). 1 – неопознанная разновидность сине-зеленых с размером клетки 2 мкм (сплошная – регистрация свечения в максимуме полосы испускания хлорофилла «а» при 685 нм, пунктир – то же в полосе фикоцианина при 635 нм); 2 – зеленая Dunaliella tertiolecta (сплошная – стадия логарифмического роста, пунктир – стационарная); 3-5 – хризофиты Monochrysis lutheri, Cyclotella nana, Pheodactylum Tricornatum соответственно (сплошная – логарифмическая и пунктир – стационарная стадии); 6 – динофлагелляты Gimnodinium nelsoni (пунктир) и Gonyaulux catenella (сплошная). Излучательное время жизни флюоресценции хлорофилла в живых водорослях лежит в пределах от нескольких наносекунд [4] до десятков пикосекунд, а ее квантовый выход не превышает нескольких процентов. У хлорофилла в растворе эти характеристики имеют иные значения (квантовый выход – до 30 %). Пигментные системы водорослей способны изменяться под действием внешних условий и физиологического состояния клеток. В живых клетках пигменты имеют иную по сравнению с растворами степень дисперсности, которая варьирует в широких пределах. Клетки фитопланктона обладают размерами 100–102 мкм, количество хлорофилла «а» в клетке составляет от 10-6 до 10-2 мкг [60], типичные размеры хлоропластов 100–101 мкм, их количество в клетке достигает нескольких десятков [80]. 79 Наблюдения в пробах морской воды с помощью люминесцентного микроскопа свидетельствуют о том, что при возбуждении проб в коротковолновой части видимого спектра флюоресцирует не только хлорофилл в живом планктоне, но и другие вещества в частицах, взвешенных в морской воде. По Горюновой [8 и др.], хлорофиллу в живом планктоне присуще ярко-красное свечение, отвечающее длинноволновому краю видимого спектра, тогда как отмерший планктон, как и частицы детрита, флюоресцируют при меньших длинах волн. В работе [8] отмечается зеленовато-голубая флюоресценция мертвых клеток, которую автор приписывала веществам оболочки клеток. Такой цвет свечения соответствует участку 480–530 нм, где Карнаухов и Яшин [42] также наблюдали флюоресценцию частиц в пробах морской воды, но приписывали ее компонентам гетеротрофного обмена. Из-за близости красной полосы поглощения света хлорофиллом к полосе флюоресценции технически легче возбуждать ее не в красной полосе поглощения, а в полосе Соре или в полосах поглощения света дополнительными пигментами. Чтобы избавиться от наложения флюоресценции других веществ взвеси на свечение хлорофилла, целесообразно спектральный интервал приемника флюоресценции приурочить к длинноволновому крылу полосы флюоресценции хлорофилла, а не к ее максимуму. Малая изменчивость положения и полуширины этой полосы делают необязательной регистрацию ее контура, если оценка его параметров не является задачей исследований. 4.2. Суточный ритм флюоресценции пигментов фитопланктона Морской фитопланктон может приспосабливаться к колебаниям солнечной радиации в водной толще («световая адаптация»), изменяя содержание и состав фотосинтетических пигментов, морфологию и устройство хлоропластов [135]. Поскольку световая адаптация сопровождается изменениями способности фитопланктона поглощать лучистую энергию и затрагивает механизм внутриклеточного переноса поглощенной энергии, следовало ожидать, что и флюоресценция пигментов в море при стационарном возбуждении от искусственного источника будет ритмично меняться вслед за солнечной радиацией. Видимо, впервые проявления суточного ритма интенсивности флюоресценции хлорофилла наблюдал Кифер [122]. Он измерял удельную интенсивность свечения хлорофилла и обнаружил, что в прибрежных водах и в открытой части Тихого океана в поверхностном слое она достигала максимума около полуночи и минимума – около полудня. Подавление флюоресценции солнечным светом, по Киферу [121], начинается, когда облученность поверхности моря солнцем составляет не менее 25 % от солнечной постоянной. В лабораторных опытах [87] удельная флюоресценция хлорофилла фитопланктона также увеличивалась в темное время суток сравнительно с дневным. 80 Лофтус и Селиджер [126] наблюдениями в Чесапикском заливе подтвердили основные выводы Кифера, установив, что изменения удельной флюоресценции хлорофилла под действием света присущи многим видам фитопланктона. Сравнивая вертикальный ход флюоресценции непосредственно в море с вариациями свечения проб воды, взятых с разных глубин и подвергнутых разным световым воздействиям, они заключили, что удельная флюоресценция хлорофилла в популяции водорослей может существенно зависеть от соотношения между «световой предысторией» популяции и характером светового воздействия на нее в период наблюдений. Поэтому изменения удельной флюоресценции с глубиной необязательно обусловлены изменением видового состава фитопланктона. Выполнив опыты с пробами морской воды в прозрачных контейнерах, погруженных в море, Лофтус и Селиджер обнаружили, что кратность уменьшения удельной флюоресценции хлорофилла в натуральной морской воде днем по сравнению с ночью была пропорциональна содержанию диатомовых и достигала 8 при их концентрации 8×10-6 л-1. Однако удельная флюоресценция хлорофилла вообще не менялась со сменой дня и ночи, если в пробах преобладали динофлагелляты. Авторы отмечают, что она максимальна на стационарной фазе существования популяции водорослей. Чтобы определить характеристики суточного ритма флюоресценции хлорофилла, Карабашевым и Соловьевым были поставлены специальные наблюдения сперва в Тихом океане [34], а затем– в Балтийском море и Индийском океане. Во время этих наблюдений на дрейфовых или якорных станциях в течение суток измерялись профили флюоресценции хлорофилла с интервалом до 1,5–2 ч во всей фотической толще, что позволяло определять суточный ход флюоресценции на разных глубинах с дискретностью 2,5–5 м. Эти наблюдения подтвердили факты, подмеченные Кифером [122], и показали, что форма суточного хода интенсивности флюоресценции хлорофилла может быть близка к гармонической [34]. Чтобы проверить это предположение, суточный ход флюоресценции апроксимировался простейшими тригонометрическими выражениями вида или Φ ( z , t ) = Φ ( z ) + l1 ( z ) sin( ht ) + l2 cos( ht ) (4.1) ~ ( z )sin[ ht + f ( z )] Ф( z,t ) = Ф( z ) + Ф (4.2) где Ф (z, t) – интенсивность флюоресценции на глубине z в момент t (поясное время в часах); Ф (z) –среднесуточный профиль флюоресценции; ~ ( z ) = [ l ( z ) 2 + l ( z ) 2 ]1/ 2 Ф (4.3) 1 2 – профиль амплитуды и f(z) = arctg[l2(z):l1(z)] 6 Заказ № 698 (4.4) 81 – профиль фазы колебаний флюоресценции; h=15°/ч. Параметры в (4.1) – (4.4) рассчитывались методом наименьших квадратов по данным измерений. Мерой точности аппроксимации суточного хода гармоникой с суточным периодом был выбран средний квадрат разности d(z) измеренных и рассчитанных по (4.1) – (4.4) значений интенсивности флюоресценции, а мерой ее изменчивости на глубине z было взято среднее квадратическое отклонение sz. Для удобства сравнения результатов, полученных на акваториях с разным уровнем интенсивности флюоресценции, рассчитывались профили ~ ( z ) : Ф( z )] × 100% , (4.5) Q ( z ) = [Ф (4.6) D ( z ) = [d ( z ) : Ф( z )] × 100% и ~ ( z )] × 100% (4.7) W ( z ) = [ s( z ) : Ф которые характеризуют относительные амплитуду колебаний флюоресценции с суточным периодом, погрешности аппроксимации эмпирических данных выражениями (4.1) – (4.4) и суммарную суточную изменчивость соответственно. Наряду с f(z) из условия sin(ht + f) = 1 находили tmax(z) –время суток, когда интенсивность флюоресценции максимальна. По формуле Симпсона рассчитывалась также величина z Θ(t ) = ∫ Φ ( z, t )dz (4.8) 0 и ряд Θ(t) сглаживался выражениями (4.1) и (4.2), как и ход флюоресценции на горизонте. Основные результаты обработки данных по этой схеме представлены на рис. 4.3 и 4.4. По рис. 4.3 видно, что форма Ф(z), Q(z), D(z) и W(z) явно связана с распределением плотности воды в фотическом слое. Изменения плотности по вертикали 6–7 февраля 1974 г. были наименьшими, и соответственно все профили на рис. 4.3, IIIб имели наименьшее число экстремумов и минимальные градиенты. На ст. 1454 и 1461 различие среднесуточных интенсивностей в максимуме вертикального хода флюоресценции достигало одного порядка своего значения, тогда как соответствующие величины в отличались лишь вчетверо. За исключением слоев с особенностями распределения плотности воды D(z) < Q(z) и Q(z) ~W(z), что указывает на удовлетворительную точность апроксимации эмпирических данных выражениями (4.1) и (4.2) и существенный вклад гармонических колебаний интенсивности флюоресценции хлорофилла с суточным периодом в ее суммарную изменчивость на фиксированной глубине. Эта закономерность особенно хорошо проявилась в подповерхностном слое, где амплитуда суточного ритма достигала 60–70% от среднесуточных 82 значений интенсивности. Фаза ее колебаний менялась с глубиной поразному в разных океанологических ситуациях, и лишь в подповерхностном слое она оказалась всюду одинаковой и такой, что максимальная интенсивность наблюдалась около полуночи. Величина Θ(t) почти столь же хорошо сглаживалась выражениями (4.1) и (4.2), как и текущие значения интенсивности. Согласно рис. 4.4 зависимость интенсивности флюоресценции хлорофилла от солнечной радиации нелинейна, изменения интенсивности продолжаются и после захода Солнца, их скорость максимальна утром и вечером и временной ход интенсивности близок к косинусоиде с периодом 1 сут, амплитуда которой убывает с глубиной. На ст. 1454 и 1461 измерялся также суточный ход условной плотности и флюоресценции РОВ. Он не был циклическим, так что выявленные особенности суточного хода флюоресценции хлорофилла специфичны для флюоресцирующих частиц и не могли быть объяснены периодическими изменениями свойств морской воды, перемещавшейся относительно прибора на каждой станции. Циклическая изменчивость Θ(t) и поведение удельной флюореценции свидетельствуют о том, что вариации интенсивности свечения хлорофилла на том или ином горизонте способны происходить не только за счет перераспределения пигментов по вертикали, но и вследствие процессов образования и гибели пигментов фитопланктона и (или) изменения его способности флюоресцировать из-за световой адаптации. Прямые доказательства роли световой адаптации фитопланктона в суточном ритме флюоресценции пигментов были даны Кифером [121]. В опытах с культурами диатомовых он показал, что уменьшение интенсивности флюоресценции под действием яркого солнечного излучения сопровождается сперва изменением формы хлоропластов от неправильной к почти сферической, а затем их слипанием в более крупные комки. Оба процесса ведут к увеличению эффективной толщины хлоропластов или к «самозатемнению» пигментов, из-за чего при неизменном содержании их в клетке уменьшается способность пигментной системы поглощать свет и, следовательно, флюоресцировать. Изменение формы хлоропластов завершается спустя 1–2 мин, а их укрупнение занимает 30–60 мин после начала облучения культуры диатомовых. Оба процесса обратимы и одинаково влияют на суточный ход флюоресценции и фотосинтеза. Эти выводы подтвердились наблюдениями Лофтуса и Селиджера [126]. Сравнительно высокая скорость световой адаптации заставляет подозревать, что в колебаниях флюоресценции хлорофилла может быть составляющая, порождаемая вариациями освещенности поверхности океана при облачной погоде. Реальность такой составляющей была показана благодаря обработке синхронных записей флюоресценции и освещенности в ультраолиготрофном озере. Кифер [121] и Бласко [87] отмечают, что недостаток азота в клетках приводит к разгоранию флюоресценции хлорофилла. Последнее может явиться дополнительной причиной суточной периодичности ее интенсивности 6* 83 в глубинных слоях океана, если концентрация азотсодержащих солей в них непостоянна. Сравнивая суточный ход флюоресценции хлорофилла на глубине 5 м на ст. 1461 с вариациями содержания хлорофилла в фитопланктоне в опытах с изолированными пробами морской воды [153], Карабашев и Соловьев [33] выявили, что изменения содержания хлорофилла и флюоресценции были сходны по знаку и (приблизительно) относительной скорости, когда лучистая энергия в море менялась особенно быстро, и что наибольшие расхождения между ними имели место в ночное время. Они предположили, что ночью в море действовал дополнительный фактор 84 Рис. 4.3. Характеристики суточного хода плотности воды и интенсивности флюоресценции хлорофилла на экваторе в Тихом (I–III) и Индийском (IV) океанах (17-й и 22-й рейсы НИС «Академик Курчатов» соответственно) . I– ст. 1454, 97° з. д., 16–17 января 1974 г.; II – ст. 1461, 155° з. д., 4– 5 февраля 1974 г.; III –ст. 1461 155° з. д., 6–7 февраля 1974 г.; IV – ст. 1913, 50° в. д., 31 марта – 1 апреля 1976 г. а – плотность воды по измерениям зондом АИСТ (I–III) и батометрическим сериям (VI) (1 – среднесуточный профиль плотности σt, 2 – ее коэффициент вариации Cvσ 3 – вертикальный градиент плотности Гσ; б и в – флюоресценция РОВ и хлорофилла (4 и 6 – среднесуточные профили флюоресценции РОВ ФРОВ и хлорофилла Фхл в усл. ед.; 5 и 7 – их коэффициенты вариации CvФРОВ и CvФхл; г – относительная амплитуда Q суточного ритма флюоресценции хлорофилла (9) и относительная погрешность аппроксимации D (8) суточного ритма выражением (4.1)– (4.2); д – время суток tмакс когда интенсивность свечения хлорофилла максимальна. убыли флюоресценции, исключенный в опытах с изолированными пробами воды. Таким фактором могло быть «выедание» фитопланктона зоопланктоном, на что указывает повсеместное уменьшение Q(t) после полуночи. Карабашев и Соловьев [33] показали, что убыль флюоресценции ночью была наибольшей на глубинах залегания максимумов среднесуточных профилей флюоресценции и что при более однородном вертикальном ее распределении «выедание» уменьшается. Такое поведение профилей флюоресценции хорошо согласуется с представлениями об ускоренном выедании фитопланктона в максимумах его вертикального распределения по сравнению с выше- и нижележащими слоями водной толщи и дает основание считать, что от полуночи до утра определенный вклад в циклическую изменчивость флюоресценции 85 хлорофилла дают процессы, связанные с изменением количества водорослей, а не их физиологического состояния. Исследования суточного хода концентрации хлорофилла в клетках водорослей [106] свидетельствуют о том, что содержание хлорофилла в клетке и его синтез, или «обесцвечивание» зависят от «световой предыстории», т. е. от длительности светового Рис. 4.4. Аппроксимация суточного хода интенсивности Ф флюоресценции хлорофилла, измеренной на горизонтах 0 и 5 м (точки), гармоникой с суточным периодом (4.1). I – Тихий океан, экватор, 97° з. д., ст. 1454; II и III – там же, 155° з. д., ст. 1461, 4–5 и 6–7 февраля 1974 г. соответственно; IV–Индийский океан, ст. 1913, 31 марта – 1 апреля 1976 г.; V–Рижский залив Балтийского моря, май 1975 г. В скобках – оценки D/Q. t – местное время. и темнового периодов и интенсивности солнечного излучения в воде. Когда эти характеристики светового режима близки к характеристикам суточного хода солнечной радиации в верхнем слое моря, концентрация хлорофилла в клетках максимальна в начале светового периода. Ее уменьшение начинается еще до засветки водорослей, если исчерпывается субстрат – носитель энергии, необходимой для синтеза хлорофилла. По окончании темнового периода к этому фактору добавляется «обесцвечивание» хлорофилла под действием яркого света. К концу светового периода клетки приспосабливаются к яркому свету, и вновь начинается синтез хлорофилла. Такой ход концентрации хлорофилла в клетке прекрасно согласуется с вышеприведенными оценками суточного ритма флюоресценции хлорофилла в поверхностном слое океанов 86 и морей (рис. 4.3 и 4.4). Напротив, при слабом и умеренном, освещении максимум внутриклеточной концентрации хлорофилла наблюдается в конце светового периода. Подобная зависимость от «световой предыстории» приводит к такому сдвигу фазы суточного ритма концентрации хлорофилла в клетке, при котором максимумы ее на больших глубинах должны появляться раньше, чем на вышележащих горизонтах. Возможно, этим обстоятельством и было вызвано «опережение», с которым максимумы суточного ритма флюоресценции хлорофилла появлялись в глубинных слоях по сравнению с поверхностными (рис. 4.3 д). Биотические факторы суточного ритма флюоресценции хлорофилла – «световая адаптация», суточный ход содержания хлорофилла в клетках водорослей, «выедание» их зоопланктоном – способны действовать в океане повсеместно в различных сочетаниях в зависимости от океанологической ситуации. Если учесть еще и абиотические факторы – длиннопериодные внутренние волны, меандрирование течений и др., – то станет ясно, что вертикальное распределение характеристик рассеяния «мгновенных» значений интенсивности флюресценции хлорофилла относительно среднесуточного должно иметь сложную форму и представлять собой композицию элементарных распределений, каждое из которых отвечает тому или иному фактору. По измерениям в Тихом океане [33] было показано, что распределение коэффициента вариации, например, может иметь поверхностный, самый мощный максимум,, обусловленный световой адаптацией, под которым на глубине наибольшей концентрации фитопланктона залегает максимум, обусловленный «выеданием», и если пикноклин находится глубже горизонта с наибольшей концентрацией фитопланктона, то к пикноклину приурочен третий максимум коэффициента вариации интенсивности свечения хлорофилла, обусловленный внутренними волнами. Суточный ритм в «чистом виде» легче всего наблюдать в тропической зоне океана в условиях, когда течения постоянны и во время наблюдений судно остается в пределах акватории с неизменной стратификацией вод. Именно при таких обстоятельствах были выполнены измерения, по результатам которых строились распределения на рис. 4.4. Однако и в тропиках встречаются океанологические ситуации, при которых флюоресценция хлорофилла почти не меняется даже в поверхностном слое. Например,, в олиготрофном районе западной части Индийского океана, где максимум флюоресценции залегал ниже 50 м и свечение хлорофилла в поверхностном слое было предельно слабым, мы не обнаружили признаков суточного ритма. Сетсер с соавторами исследовали суточный ход флюоресценции фотосинтетических пигментов в Тихом океане между 25° с.ш., 10° ю.ш. и 120° з.д., 165° з.д. [141]. Они пришли к выводу о том, что хорошо выраженный суточный ритм с минимумом около полудня, инициируемый солнечным излучением, присущ флюоресценции хлорофилла только в пределах Южного Пассатного течения между 4° с.ш. и 10° ю.ш. 87 и, с учетом сведений в [126], объяснили этот феномен зависимостью суточного ритма от видового состава водорослей. В районах с нестационарными течениями на суточный ритм флюоресценции хлорофилла, обусловленный биотическими факторами, накладываются колебания иной природы, связанные в основном с перемешиванием по-разному стратифицированных вод. В этих условиях для определения характеристик суточного ритма биотического происхождения недостаточны периодические измерения в течение суток, и требуется регистрация флюоресценции в течение многих десятков часов с последующей фильтрацией данных измерений. Такие эксперименты труднореализуемы, и, видимо, поэтому оценки характеристик суточного ритма крайне немногочисленны. По этой причине на вопрос о распространении суточного ритма флюоресценции хлорофилла в океане можно ответить, что он существует в разных океанах на тропических и умеренных широтах, но нельзя утверждать, что он представляет собой явление планетарного характера. 4.3. Закономерности вертикального распределения интенсивности флюоресценции хлорофилла в деятельном слое океана Сведения о вертикальных профилях интенсивности флюоресценции хлорофилла в океане появились в конце 60-х годов в зарубежных публикациях [ 146 и др.], однако они долго оставались отрывочными и не позволяли выявить основные закономерности ее вертикального хода. Лишь измерения зондом-флюориметром ИПФ-70 в экспедициях Института океанологии, начатые в 1973 г., позволили составить массив из более 300 профилей интенсивности флюоресценции хлорофилла, пригодный для решения такой задачи. Эти измерения проводились по единой методике с разрешением по вертикали до 2 м в диапазоне глубин от 0 до 150– 200 м и охватили районы Мирового океана с самыми различными гидрофизическим режимом и биологической продуктивностью. Они велись параллельно со стандартными гидрологическими и гидрохимическими наблюдениями, а в ряде экспедиций – с измерениями первичных гидрооптических характеристик и определениями фотосинтетических пигментов фитопланктона, его видового состава и биомассы. Обобщение этих данных показало, что относительное изменение флюоресценции хлорофилла с глубиной в деятельном слое открытого океана превышает относительные изменения первичных гидрооптических характеристик и что профилям флюоресценции хлорофилла свойственны хорошо выраженные максимумы. Самая интенсивная флюоресценция хлорофилла присуща фотическому слою, под ним она сравнительно быстро убывает до 5–15% от своих максимальных локальных значений, а в некоторых случаях слегка возрастает до некоего почти постоянного уровня ниже 130–160 м (например, в северо-западной части Индийского океана). 88 Формы вертикального распределения интенсивности свечения хлорофилла весьма разнообразны. Все же по вышеупомянутому массиву профилей среди них удается выделить следующие типы [20]: 1) квазиоднородные; 2) с единственным мощным максимумом (одномодальные); 3) с несколькими хорошо разрешенными максимумами, сравнимыми по амплитуде; 4) распределение, при котором интенсивность флюоресценции более или менее плавно убывает с глубиной, начиная с поверхности; 5) распределения Рис. 4.5. Типы вертикальных распределений интенсивности Ф флюоресценции хлорофилла в океане. 1 – квазиоднородное (тропическая зона Индийского океана); 2 – одномодальное (110° з. д., экватор); 3 – многомодальное (Бенгальский залив); 4 – с максимумом на поверхности океана (шельф западной Австралии); 5 – распределение сложной формы (район Коморских островов). сложной формы с несколькими экстремумами и однородными прослойками. Примеры подобных распределений приведены на рис. 4.5. Первый из перечисленных типов представлен в массиве единственным профилем из олиготрофного района Индийского океана, где верхняя граница пикноклина залегала на 160–170 м. Видимо, в открытом океане квазиоднородные распределения флюоресценции хлорофилла присущи акваториям с условиями, особенно неблагоприятными для развития фитопланктона. Профили флюоресценции 4-го типа наблюдались в Балтийском море, в апвеллинге у побережья Перу, вблизи о. Шри-Ланка, у западного побережья Австралии, т. е. главным образом в шельфовой зоне с повышенной биологической продуктивностью. Распределения 5-го типа встречались в предустьевых районах (север Бенгальского залива) и в открытом океане со сложной динамической структурой вод. Распределения 2-го и 3-го типов характерны для акваторий открытого океана с малой и умеренной толщиной верхнего квазиоднородного перемешанного слоя. Они наблюдались также в проливах, на 89 шельфе Индийского океана, на океанической периферии перуанского апвеллинга и во внутренних морях, но на значительном удалении от берега. Количество станций, на которых были зарегистрированы профили 2-го типа, составило более 50 % их общего числа. Примерно одинаково часто встречались профили 3-го и 5-го типов (по 15–20%). Еще более редкими являются профили 4-го типа. При сортировке профилей флюоресценции хлорофилла по типам неизбежны неточности из-за трудностей объективной оценки тонких различий формы профилей и ограниченности накопленных данных. Но даже если объединить 3-й и 5-й типы как наименее различимые, то и тогда 2-й тип останется преобладающим. Интенсивность флюоресценции хлорофилла на некоторой глубине определяется прежде всего наличием флюоресцирующих частиц и количеством хлорофилла в них. Вследствие «световой адаптации» и убывания амплитуды суточного ритма с глубиной форма профилей флюоресценции хлорофилла в какой-то степени зависит от состояния флюоресцирующих частиц. Когда различие интенсивностей флюоресценции хлорофилла в максимуме и под поверхностью моря не слишком велико, профиль 2-го типа днем может превратиться в профиль 4-го типа ночью. Поэтому в исходный массив включались только «ночные» профили из полученных на станциях с повторными измерениями. Около половины станций с однократными измерениями профилей были выполнены в темное время суток. На большинстве «дневных» станций с профилями 2-го типа флюоресценция под поверхностью моря была настолько слаба по сравнению с флюоресценцией в максимуме, что и в ночное время тип распределения на этих станциях должен был оставаться тем же самым. С учетом этих обстоятельств в работе [20] был сделан вывод о том, что преобладание 2-го типа профилей не случайно, не связано с суточным ритмом и что водам открытого океана свойственны преимущественно одномодальные вертикальные распределения (ОВР) интенсивности флюоресценции хлорофилла. Изменения состава фитопланктона, содержания и организации пигментов в водорослях способны влиять на интенсивность свечения хлорофилла через изменения поглощательной способности их пигментной системы и квантового выхода флюресценции. Такие факторы сказываются на ее сезонной изменчивости и, хотя бы отчасти, могут быть причиной усложнения формы профилей свечения хлорофилла. Но в любых ситуациях она определяется распределением самого планктона, и потому должна зависеть еще и от адвекции, внутренних волн, турбулентности и других абиотических факторов, влияющих на распределение различных субстанций в толще океана. Разнообразие типов профилей флюоресценции хлорофилла порождается разнообразием процессов, контролирующих жизнедеятельность фитопланктона в море. Вместе с тем первичным, «элементарным» типом распределения флюоресценции хлорофилла, из которого при тех или иных 90 условиях могут образоваться остальные, следует признать одномодальное распределение, т. е. 2-й тип на рис. 4.5 [20]. Развитие одноклеточных водорослей – носителей флюоресцирующего хлорофилла – лимитируется главным образом светом и питательными солями – биогенными элементами [135]. Свет затухает, а содержание биогенных элементов увеличивается с глубиной, так что скорость роста популяции фитопланктона (и концентрации хлорофилла) максимальна на глубине с оптимальным сочетанием лимитирующих факторов. Если бы океан был неподвижен и заселен одинаковыми водорослями, то при не слишком большой их концентрации должно было бы сформироваться вертикальное распределение с максимумом фитопланктона (и флюоресценции хлорофилла) на такой глубине. При усилении вертикального перемешивания в фотическом слое такой максимум будет сглаживаться, и в пределе из ОВР образуется квазиоднородное распределение. Подобная тенденция наблюдалась на экваторе в Тихом океане, где развитию вертикального перемешивания способствуют значительные вертикальные градиенты горизонтальной составляющей скорости течения [19]. Если биогенные элементы обильны во всем фотическом слое (например, в апвеллинге или после зимнего обогащения деятельного слоя на умеренных широтах), то условия роста фитопланктона могут быть оптимальными в подповерхностном слое, куда и сместится максимум концентрации планктона. Скорее всего по этой причине распределения 4-го типа наблюдались преимущественно на шельфе и весной в Балтийском море. Многомодальные и более сложные распределения флюоресценции хлорофилла формируются из ОВР при совместном действии нескольких разнородных факторов (вертикальный ход видового состава водорослей, перемежающаяся по вертикали турбулентность, разнонаправленность течений на смежных горизонтах и т. д.). Материалы последних экспедиций ИОАН и новые работы других авторов [43, 102] подтвердили правильность описанной классификации формы вертикальных распределений флюоресценции, хлорофилла. Вместе с тем стало ясно, что тот или иной тип профиля можно считать приуроченным к какому-либо региону лишь постольку, поскольку там сохраняются определенные условия обитания фитопланктона. Поэтому в умеренных и высоких широтах вряд ли можно ожидать постоянство типов распределения флюоресценции хлорофилла из-за сезонного хода условий существования водорослей. Преобладание и роль одномодальных распределений делают целесообразным более подробное исследование ОВР флюоресценции хлорофилла. Чтобы оценить их характеристики, были сформированы две выборки из профилей, измеренных в Индийском океане ночью (22-й рейс НИС «Академик Курчатов») и днем (61-й, рейс НИС «Витязь») [20]. Маршруты обоих рейсов частично перекрывались, и состоялись они в одно и то же время года, в силу чего главные отличия между выборками должны были быть связаны со световым режимом моря. Для сравнения формы ОВР флюоресценции 91 хлорофилла удобно нормировать текущие значения ее интенсивности Ф(z) на ∞ Θ = ∫ Φ( z )dz , (4.9) 0 Тогда вместо измеренного профиля Ф(z) будем иметь дело с функцией, обладающей свойствами плотности распределения: p( z ) ≥ 0, +∞ ∫ p( z )dz = 1 (4.10) −∞ Это позволяет по известным формулам [11] оценить характеристики группирования и рассеяния интенсивности флюоресценции хлорофилла по глубине. Моду М° (глубину залегания максимума) определяли непосредственно по графику Ф(z). Θ находили по измеренному профилю согласно формуле Симпсона. Профиль представлял собой последовательность значений интенсивности Фn в условных единицах, каждое из которых отвечало глубине zn = Δz(n–1), где Δz = 5 м – шаг считывания с ленты самописца и n – номер горизонта. Для середины интервалов глубин определялись эмпирические вероятности pi = Δz(Фi + Фi+1)/(2 Θ) и по распределению pi определялась медиана Me ОВР флюоресценции хлорофилла как значение, промежуточное между zn+i и zn, из условия m −1 n i =1 i =m ∑ p ( zi ) = ∑ p ( zi ) Далее находили статистическое среднее (эмпирический аналог математического ожидания) n M B = ∑ zi p ( zi ) i +1 и статистическое среднее квадратическое уклонение n s = ⎡⎢∑ ( zi − z ) p ( zi )⎤⎥ ⎣ i =1 ⎦ 1/ 2 Для найденных таким образом характеристик положения центра группирования интенсивности М°, Ме и Мв и ее рассеяния по глубине s были рассчитаны средние значения М, коэффициенты вариации Сv асимметрии γ1 и эксцесса γ2 с погрешностями. Аналогичные расчеты были сделаны для трех амплитудных характеристик ОВР флюоресценции хлорофилла – величины Θ и значений интенсивности Ф5 на глубине 5 м и в максимуме Фмакс Результаты расчетов приведены в табл. 4.2. 92 Таблица 4.2 Средние значения (М), коэффициенты вариации (С» %), асимметрии (γ1 ±0,6), эксцесса (γ2±0,9), предельные значения характеристик флюоресценции хлорофилла, рассчитанных по выборкам из 14 «ночных» и 15 «дневных» профилей из Индийского океана М Cv zмин м zмакс м γ1 ± 0,6 γ2 ± 0,9 «Ночные» профили M° 68,3 25 43 97 –0,1 –1,2 e 72,2 21 44 92 –0,5 –1,1 в M s 78,2 16 54 98 -0,5 –0,9 • 32,9 16 24 45 0,4 0,1 Ф5 15,8 124 2 66 1.5 1,2 Фмакс 100 29 54 140 –0,1 –1,5 Θ 5621 32 0,6 0,9 M° 61,7 30 31 95 –0,01 1,2 e M 67,2 27 33 90 –0,22 1,3 Mв s 74,0 21 46 93 –0,36 1,4 21 35 0,4 1,1 M 3333 9423 «Дневные» профили 27,1 16 Ф5 3,9 74 0 7 0,01 1,5 Фмакс 105 52 30 260 1,4 1.7 Θ 3879 39 2186 6736 0,7 1,0 e в Примечание. М° – мода; M – медиана; M –статистическое среднее; s – статистическое среднее квадратическое отклонение; Ф5 и Фмакс – интенсивности флюоресценции на глубине 5 м и в максимуме, усл. ед.; Θ – интеграл по глубине, усл. ед.× м). В соответствии с представлениями о влиянии суточного ритма на форму профиля флюоресценции хлорофилла средние Ф5 и Θ «дневной» выборки были ниже, чем у «ночной». Средние Фмакс, М°, Ме и Мв обеих выборок меньше отличались друг от друга, что подтверждает сходство океанологических ситуаций по маршруту соответствующих экспедиций. Общее свойство ОВР флюоресценции хлорофилла – асимметрия относительно максимума – хорошо проявилось в различиях средних значений характеристик группирования, согласно которым пологое крыло профиля чаще всего лежит под максимумом. В обеих выборках мода – самая изменчивая из характеристик группирования. В целом максимальные и средние значения интенсивности свечения хлорофилла тяготели к глубинам несколько десятков метров, а s ~ 0,5M°, так что рассеяние интенсивности по вертикали довольно велико даже для одномодальных распределений. В то же время s – самая стабильная их характеристика. Соотношение между оценками и погрешностями γ1 и γ2 говорит о близости распределений характеристик группирования и рассеяния профилей флюоресценции хлорофилла 93 к нормальному закону. Амплитудные характеристики, особенно Фв, гораздо более изменчивы и чувствительны к неоднородностям исходных выборок по сравнению с характеристиками группирования и рассеяния. Чтобы выявить связи между характеристиками ОВР флюоресценции хлорофилла, были рассчитаны соответствующие коэффициенты корреляции для «дневной» и «ночной» выборок [20]. Сильная корреляционная связь действовала только между характеристиками группирования. В обеих выборках интенсивность свечения хлорофилла в поверхностном слое убывала с заглублением максимума ОВР. Между Θ и характеристиками группирования также действовала обратная зависимость. Характеристика рассеяния s не имела устойчивых связей ни с одной из прочих характеристик ОВР флюоресценции хлорофилла. Таким образом, оценки показали, что форма одномодальных профилей стабильнее уровня флюоресценции пигментов и что между различными характеристиками таких профилей, измеренных в сходных световых условиях, но различных океанологических ситуациях, могут существовать зависимости, близкие к линейным. Формирование одномодальных распределений флюоресцирующих частиц под влиянием солнечного излучения и биогенных элементов предполагает связь между глубинами максимумов флюоресценции хлорофилла и верхней границы пикноклина, так как через него биогенные элементы поступают в фотическую зону из глубинных слоев океана. В толщах с повышенными вертикальными градиентами температуры, солености и плотности морской воды меняются условия обитания планктона, что также способно приводить к связи экстремумов распределения его концентрации и свойств (в том числе – флюоресценции) с глубиной термогалоклина. Действительно, с первых же применений зонда-флюориметра нередко, но не всегда наблюдались совпадения глубины залегания максимумов интенсивности свечения хлорофилла и слоев с резкими перепадами гидрологических характеристик. В 22-м рейсе НИС «Академик Курчатов» впервые был получен объем данных, пригодный для количественных оценок связей между глубинами максимумов флюоресценции хлорофилла и сезонного пикнолина [36]. Совместные измерения профилей флюоресценции хлорофилла и стандартные батометрические определения температуры и солености были сделаны на 48 станциях западнее 67° в. д. между 29° с. ш. и 15° ю.ш. Они располагались на экваторе, в Сомалийском течении, Красном море, Аденском заливе, вдоль 65–67° в. д. и в других районах Индийского океана. По температуре и солености были рассчитаны условная плотность σt и их вертикальные градиенты Гт, Гs, Гσ для слоев толщиной 10 м. Глубина z экстремумов этих градиентов считывалась с графиков. Среди профилей флюоресценции 15, а среди профилей ГТ,s,σ – большинство оказались многомодальными, и потому обработка данных велась в двух вариантах – для станций с ОВР флюоресценции хлорофилла и для всего массива данных. Она строилась 94 так, чтобы ответить на вопросы: 1) каковы различия глубин залегания «главных» (по амплитуде) максимумов флюоресценции и экстремумов градиентов гидрологических характеристик ГТ,s,σ; 2) каковы различия между глубинами залегания «ближайших» (по вертикали) максимумов флюоресценции и экстремумов ГТ,s,σ; 3) насколько связаны между собой глубины залегания тех и других максимумов и экстремумов? По данным 1973–1974 гг. при толщине верхнего квазиоднородного слоя более 70–80 м максимумы флюоресценции хлорофилла могут быть заглублены меньше верхней границы пикноклина. Чтобы проверить эту закономерность на более полном материале, была выделена группа станций, на которых экстремумы градиентов гидрологических характеристик находились ниже 70 м. Мерой исследуемых различий была выбрана разность глубин залегания экстремумов градиентов гидрологических характеристик и максимумов флюоресценции хлорофилла. Мерой связи указанных глубин был взят коэффициент корреляции между их абсолютными значениями. Таблица 4.3 дает представление о распределении по амплитуде и глубине «главных» и «ближайших» максимумов флюоресценции и экстремумов ГТ,s,σ. Среди последних Ts были знакопеременными, для них даны среднеарифметические значения и средние модули. Согласно табл. 4.3, в исследованном районе Индийского океана изменчивость экстремумов ГТ,s,σ была довольно велика, причем во всех вариантах счета относительные вариации глубин залегания Тs были наименьшими, тогда как их амплитуда варьировала сильнее, чем у экстремумов ГT и Гσ. Относительная изменчивость амплитуд и глубин максимумов интенсивности флюоресценции хлорофилла была меньше, чем у экстремумов градиентов любой из гидрологических характеристик. В среднем «ближайшие» к максимумам флюоресценции экстремумы ГТ,s,σ отличались от «главных» в 1,5 раза по амплитуде. Наибольшее отличие между ними обнаружилось для Ts и состояло в том, что с переходом к «ближайшим» максимумам существенно возросла доля Гs<0. Данные в табл. 4.3 свидетельствуют о том, что исходный массив профилей флюоресценции был получен в районах океана с большим разнообразием гидрологического режима верхнего 150–200-метрового слоя, где соленость наряду с температурой вносила заметный вклад в изменчивость плотности морской воды. В этих условиях рассеяние «главных» максимумов флюоресценции относительно «главных» экстремумов ГТ,s,σ достигало десятков метров, причем в среднем «главные» максимумы флюоресценции находились преимущественно над экстремумами ГT и под экстремумами Гs и Гσ (табл. 4.4). Там, где z ≥ 70 м, «главные» максимумы флюоресценции залегали на 20–40 м (в среднем) выше «главных» экстремумов гидрологических характеристик (табл. 4.4). С учетом этого обстоятельства можно заключить, что в районах океана с толщиной верхнего квазиоднородного слоя до 70 м «главные» максимумы флюоресценции хлорофилла залегали преимущественно под экстремумами градиентов гидрологических характеристик. 95 Таблица 4.3 Глубина (z м) и амплитуда максимумов флюоресценции (Фмакс , усл. ед.) и экстремумов градиентов плотности [Гσ (ед/м)⋅104], температуры . [ГT (°С/м)⋅104 и солености [Гs (%о/м)⋅104]. M Cv Мин. Макс. M Cv Р = 33 Мин. Макс. P = 48 Φ 0макс 129 46 64 250 122 48 56 250 0 Γσ 788 52 340 1872 816 55 340 2317 0 T Γ –2461 50 –608 –6005 –2552 52 -400 –7649 Γ 183 73 –450 615 174 69 –450 616 0 s (104) (101) 0 Φ 58 38 25 100 57 36 25 10О 0 zσ 48 83 5 173 51 78 5 175 0 T 62 71 15 175 62 70 15 175 z S0 41 52 5 112 54 58 5 112 z z Φ * макс 129 46 64 250 118 53 18 25» * Γσ 570 68 60 1354 591 65 60 1354 * T Γ –2005 59 –225 –4743 –2059 70 –54 –7749 ΓS* 141 86 –473 615 129 81 –473 615 (-18) (-41) * Φ 58 37 25 100 60 44 20 115 * zσ 58 54 15 137 61 60 15 137 zT* 60 55 15 137 60 53 15 137 * S 60 45 15 112. 61 48 15 137 z z Примечание. ° – «главные», * – «ближайшие» экстремумы. Р=48 – весь массив, Р=33 – выборка ОВР флюоресценции хлорофилла. В скобках – среднеарифметические ГS. Отмеченные тенденции одинаково проявились в результатах счета по 33 и 48 станциям. Как и для «главных» максимумов, средние (zσx ,T ,S − zΦx ) при zσx ,T ,S ≥ 70 м в несколько раз превышали аналогичные оценки, рассчитанные по всему массиву данных, так что и «ближайшие» максимумы флюоресценции хлорофилла залегали преимущественно под экстремумами на акваториях со сравнительно малой толщиной верхнего квазиоднородного слоя. 96 Таблица 4.4 Разности глубин залегания экстремумов гидрологических характеристик и максимумов флюоресценции хлорофилла (м). P zσ0 − z Φ0 zT0 − z Φ0 z S0 − z Φ0 zσ* − zΦ* zT* − zΦ* z S* − z Φ* Среднее значение Средний модуль cv Мин. Макс. 33 –9,8 30,5 78 –80 120 48 13 –6,8 38,7 30,0 41,5 73 73 –80 18 120 120 33 3,8 25,2 87 –43 120 48 19 33 4,0 34,3 –16,0 26,6 34,3 26,3 80 84 71 –55 2 –80 120 120 57 48 14 33 –11,7 21,8 -0,1 26,5 23,1 14,5 68 74 90 –80 –13 –43 57 57 52 48 18 33 0,8 13,8 1,4 13,6 16,2 15,2 90 92 88 –43 –18 –43 52 52 52 48 18 33 1,3 4,2 1,9 13,3 14,2 12,3 90 103 54 –43 +2 –20 52 52 22 48 22 1,9 7,3 11,0 11,5 66 62 –20 –13 22 22 Примечание. Р≤23 – выборки с данными станций, где zσ,T,S >70 м. Остальные обозначения – как в табл. 4.3. и над такими же экстремумами – в противоположной ситуации. Оценки коэффициентов корреляции между z Φ0 , x и zσ0,,xT ,S показали, что глубины максимумов флюоресценции хлорофилла и экстремумов ГТ,s,σ были связаны положительной корреляционной связью, особенно тесной между «ближайшими» экстремумами солености и флюоресценции. Расчет корреляции между глубинами «главных» максимумов и экстремумов по массивам данных без zσ0 ,T ,S >70 м дал аналогичные результаты. Оценки корреляции не выявили какой-либо связи между амплитудами максимумов флюоресценции и экстремумов гидрологических характеристик. Таким образом, соотношение глубин залегания максимумов флюоресценции хлорофилла и экстремумов градиентов гидрологических характеристик меняется в зависимости от толщины верхнего квазиоднородного слоя. Если последняя невелика, то 7 Заказ № 698 97 максимумы флюоресценции хлорофилла находятся преимущественно под экстремумами градиентов плотности, температуры и солености и удалены от них по вертикали на сравнительно малые расстояния. При мощности квазиоднородного слоя 70–90 м и более они могут поменяться местами, и разрыв между ними способен достигать нескольких десятков метров. Проявления подобной закономерности наблюдались в Тихом океане [19], а также в Балтийском море, где, по данным Кахру [43], при достаточно большой глубине термоклина максимум флюоресценции хлорофилла образуется над ним и нередко существуют максимумы свечения хлорофилла в изотермических прослойках. Действие одной и той же закономерности в разнообразных океанологических условиях указывает на ее универсальный характер. Было сделано предположение о том, что эта закономерность существует, поскольку максимумы флюоресценции хлорофилла обусловлены скоплениями живого фитопланктона (иначе они не могли бы сохраняться в квазиоднородных слоях с развитым перемешиванием) и световая зависимость фотосинтеза океанического фитопланктона линейна лишь при сравнительно малых плотностях лучистой энергии в море [36]. Эта зависимость изображается кривой с начальным участком, на котором фотосинтез пропорционален лучистой энергии, и с участками насыщения и подавления фотосинтеза [135]. Насыщение начинается при облученностях, составляющих сравнительно небольшую долю от солнечной постоянной: около 15%–для самых распространенных диатомовых водорослей, до 7,5 % – для зеленых и 25–30 % – для динофлагеллят [135]. Учитывая это обстоятельство и экспоненциальное затухание солнечного излучения с глубиной, нетрудно оценить глубины, ниже которых фитопланктон заведомо находится на начальном участке кривой фотосинтеза. В Индийском океане все станции с zσ,T,S >70 м располагались в водах типов IA и IB по классификации Ерлова [12] с показателем вертикального ослабления в полосе поглощения хлорофилла 0,03 м-1, так что эти глубины составляли 60, 80 и 40 м для диатомовых, зеленых и динофлагеллят соответственно. Следовательно, ниже 70–90 м фотосинтез всюду зависел от затухания солнечной энергии с глубиной, а на вышележащих горизонтах такая зависимость часто отсутствовала. Другой фактор роста водорослей – концентрация биогенных элементов. Они поступают в фотическую зону через пикноклин. Когда последний неглубок, источник биогенных элементов оказывается в той части фотической зоны, где имеется избыток света, и основным лимитирующим фактором роста водорослей выступают биогенные элементы. Поэтому планктон должен развиваться быстрее вблизи пикноклина, что и приводит к формированию максимумов флюоресцирующих частиц непосредственно под экстремумами градиентов гидрологических характеристик. Если глубина их экстремумов велика, развитие водорослей лимитируется и биогенными элементами, и солнечным излучением. Тогда оптимальные условия роста водорослей реализуются на глубине, промежуточной между 98 поверхностью моря и слоями с повышенными градиентами гидрологических характеристик. Отсюда – разрыв между максимумами флюоресценции хлорофилла и экстремумами Гσ,T,S, достигающий десятков метров на акваториях с zσ,T,S >70 м. Совместное действие двух разнонаправленных факторов приводит к тому, что глубина максимумов флюоресценции хлорофилла имеет меньшую относительную изменчивость по сравнению с изменчивостью глубин экстремумов Гσ,T,S. Видимо, по этим же причинам средние значения характеристик группирования ОВР флюоресценции хлорофилла не выходили за пределы 60–80 м (табл. 4.2) и тяготели к глубинам, на которых солнечное излучение становится лимитирующим фактором роста водорослей. Наряду со светом и биогенными элементами развитие фитопланктона зависит и от иных факторов среды. Этим можно объяснить значительный zσ0,*,T , S − zΦ0,* относительно их средних значений, малость разброс коэффициентов корреляции и наличие ситуаций, в которых взаимное положение максимумов флюоресценции и экстремумов Гσ,T,S было противоположно вышеописанной закономерности, неплохо проявившейся в осредненных данных. Более того, последующие измерения с помощью зонда-флюориметра показали, что существуют обширные акватории с мощным верхним квазиоднородным слоем (более 100 м), где максимум флюоресценции хлорофилла приурочен к пикноклину (восточная часть Средиземного моря, тропическая зона Тихого океана южнее экватора и др.). На этом основании смену взаимного положения пикноклина и максимума флюоресценции хлорофилла и увеличение интервала между ними с ростом мощности верхнего квазиоднородного слоя следует рассматривать как некую тенденцию, которая реализуется в океане лишь при соблюдении определенных условий. 4.4. Особенности тонкой структуры вертикального распределения интенсивности флюоресценции хлорофилла На основании сведений о тонкой термохалинной структуре фотического слоя океана и представлений о механизме ее формирования [15] можно было полагать, что и вертикальные распределения флюоресцирующих частиц могут обладать однородными прослойками или инверсиями мощностью до 10–20 м прежде всего там, где такие прослойки наблюдаются на профилях гидрофизических характеристик. Действительно, даже на профилях флюоресценции хлорофилла, измеренных бортовыми флюориметрами с проточными кюветами при непрерывном опускании входного отверстия канала прокачки, иногда были заметны тонкие детали в виде экстремумов и однородных прослоек [122, 146 и др.]. Однако подобные наблюдения не могли дать достоверных сведений о реальной тонкой структуре профилей флюоресценции хлорофилла в силу принципиального ограничения – сглаживания 7* 99 вертикального хода содержания флюоресцирующих частиц в воде каналом прокачки длиной несколько десятков метров. Лишь зондирования флюориметром ИПФ-70 в различных районах Мирового океана впервые выявила реальную тонкую структуру вертикальных распределений флюоресценции хлорофилла и привели к выводу о том, что значительная доля тонкоструктурных неоднородностей имеет форму максимумов, а не однородных прослоек. Такие максимумы могут иметь полуширину, на порядок меньшую Рис. 4.6. Вертикальные распределения океанологических характеристик на ст. 7582, 7660 и 7591 61-го рейса НИС «Витязь» в северной части Индийского океана. 1 – интенсивность флюоресценции хлорофилла Ф; 2 – вертикальный градиент температуры ГT; 3 – то же, солености ГS. полуширины максимумов гросс-структуры интенсивности флюоресценции хлорофилла и быть сравнимыми с ними по амплитуде. Тонкоструктурные образования иногда приурочены к слоям с повышенными вертикальными градиентами температуры или солености, как это было, например, в северной части Индийского океана. Там хорошо разрешенные тонкие максимумы флюоресценции хлорофилла залегали в термо- и галоклине, где экстремумы градиентов плотности определялись температурой либо соленостью (рис. 4.6, ст. 7582, 7600 и 7591 соответственно). Подобные максимумы неплохо воспроизводятся при повторном зондировании [33]. На ст. 1470 в перуанском прибрежном районе ниже поверхностного слоя с предельно интенсивной флюоресценцией хлорофилла был обнаружен слабый максимум на 50–60 м. Когда он был специально обследован при полной чувствительности 100 флюориметра и уменьшенной скорости зондирования, выяснилось, что он состоял из нижнего максимума с большей амплитудой и полушириной 2–3 м и верхнего с полушириной 10–12 м, которые существовали более 8 ч (рис. 4.7). Судя по различиям полуширин этих пиков и чередованию их глубин на подъеме и спуске Рис. 4.7. Вертикальные распределения флюоресценции хлорофилла Фхл и условной плотности морской воды σt в перуанском прибрежном районе (ст. 1470 17-го рейса НИС «Академик Курчатов»). а – гросс-структура распределений плотности в 18 ч 37 мин 2 марта 1974 г. (3) и флюоресценции в 20 ч 28 мин 2 марта 1974 г. (1) и в 5 ч 45 мин 3 марта 1974 г. (2); б и в – тонкая структура распределений флюоресценции в 21 ч 03 мин и 21 ч 30 мин 2 марта 1974 г. соответственно, измеренных на спуске (4) и подъеме (5) зонда-флюориметра. прибора, они совместно колебались по вертикали под действием внутренних волн. На суточной якорной станции в Гданьской впадине Балтийского моря (май 1975 г.) удалось наблюдать, как на протяжении нескольких часов появился и исчез тонкий максимум флюоресценции хлорофилла в слое над температурной инверсией у границы раздела между промежуточными водами Балтийского моря и придонными более теплыми и солеными водами североморского происхождения (рис. 4.8), Интересны и тонкие максимумы свечения хлорофилла, обнаруженные на якорной станции 1475 вблизи побережья Перу 101 в точке с глубиной океана 20 м (рис. 4.9). Здесь интенсивность была максимальна в слое 0–4 м, на 6 м она проходила через минимум, а на 10 м вновь увеличивалась до тех же значений, что и в поверхностном слое. Затем следовали второй минимум и возрастание интенсивности с приближением ко дну. Полуширина максимума на 10 м составляла всего 2–3 м. При повторном зондировании картина в основном повторилась. Замечательно, что тонкий максимум на 10 м существовал в условиях сильного вертикального Рис. 4.8. Вертикальные распределения интенсивности флюоресценции хлорофилла Ф (1) и температуры воды (2), измеренные одновременно в разное время суток 6–7 мая 1975 г. в Гданьской впадине Балтийского моря. a – 23-24 ч; б – 2-3 ч; в – 5-6 ч; г – 8-9 ч. перемешивания, о чем свидетельствуют квазиоднородные распределения плотности воды и флюоресценции РОВ и рост мутности с приближением к песчаному дну (рис. 4.9). Во фронтальной зоне Тихого океана в районе южной субтропической конвергенции методом непрерывного многократного зондирования был обследован слой 0–100 м, и выяснилось, что на глубине 56–57 м залегал устойчивый максимум флюоресценции хлорофилла, размах которого был близок к амплитуде профиля гроссструктуры на глубине максимума, а его полуширина сильно варьировала, уменьшаясь временами до 2–3 м. Этот максимум залегал над минимумом солености в слое с медленными изменениями температуры по вертикали (рис. 4.10). Измерения течений на той же станции показали, что тонкий максимум находился в толще, где вода текла на юг, в отличие от выше- и нижележащих слоев с северовосточным направлением вектора скорости течения. 102 Рис. 4.9. Вертикальные распределения океанологических характеристик в перуанском прибрежном районе на ст. 1475 17-го рейса НИС «Академик Курчатов» 14 марта 1974 г. 1 – флюоресценция хлорофилла Фхл в 15 ч 58 мин; 2 – то же в 16 ч 02 мин; 3 – условная плотность морской воды σt, в 15 ч 35 мин; 4 – флюоресценция РОВ ФРОВ в 16 ч 48 мин; 5–рассеяние света под прямым углом Фр в 16 ч 10 мин. Рис. 4.10. Распределение флюоресценции и гидрофизических характеристик в южной субтропической конвергенции Тихого океана на ст. 3598 (34-й рейс НИС «Академик Курчатов», 5 марта 1982 г.). а – вертикальный ход интенсивности Ф флюоресценции хлорофилла в смежные моменты времени. Профили смещены последовательно на 50 усл.ед.; б – профили температуры Т°С и солености S°/°°. Стрелки – скорость течения на горизонтах 30, 50, 75, и 100 м. Начало зондирований 1-6 в 8 ч 56 мин, 9 ч 02 мин, 9 ч 07 мин, 9 ч 12 мин, 9 ч 17 мин, 9 ч 23 мин соответственно. 103 Тонкие максимумы интенсивности флюоресценции хлорофилла наблюдались в разных океанологических ситуациях, однако вне районов океана с предельно низкой биологической продуктивностью. Другой тип тонкоструктурных неоднородностей вертикального распределения флюоресценции хлорофилла – однородные прослойки – встречается чаще тонких максимумов, но вряд ли заслуживает особого внимания, так как, скорее всего, порожден теми же причинами, что и однородные прослойки на профилях гидрофизических характеристик. За исключением «боковой конвекции», ни один из механизмов формирования термохалинной тонкой структуры [15] не способен породить тонкие максимумы вертикального распределения флюоресцирующих частиц. Согласно «боковой конвекции», тонкий максимум какой-либо характеристики может появиться, если за счет перемещения отдельных слоев выравниваются горизонтальные различия смежных, по-разному стратифицированных столбов воды. При этом можно ожидать, что вслед за появлением тонкого максимума изменится и гросс-структура распределения флюоресцирующего вещества, в первую очередь на глубинах, близких к глубине тонкого максимума. Профили флюоресценции хлорофилла и температуры на рис. 4.8 показывают, что во время наблюдений в Гданьской впадине тонкий максимум свечения хлорофилла появился и исчез вне связи с изменениями гросс-структуры и что, следовательно, «боковая конвекция» вряд ли ответственна за его появление. Маловероятно образование тонкого максимума под ее влиянием и на ст. 1475 (рис. 4.9), так как при сильном турбулентном перемешивании от поверхности до дна невозможно существование смежных столбов воды с резкими различиями их стратификации. Единственный случай, когда «боковая конвекция» могла способствовать формированию тонкого максимума флюоресцирующих частиц, приведен на рис. 4.10 и наблюдался на ст. 3598. Там течение на 50 м могло доставить дополнительное количество фитопланктона с северной стороны фронта, где биологическая продуктивность была выше, чем на южной. Стоит отметить, что к северу от ст. 3598 не была замечена столь же яркая флюоресценция хлорофилла, как в максимуме на этой станции. Поэтому не исключено, что флюоресцирующие частицы образовали максимум в потоке южного направления из-за ускоренного развития фитопланктона в нем, но не были непосредственно перенесены течением в район станции с противоположной стороны фронта. Судя по расстоянию между станциями по обе стороны фронта и скорости потока на 50 м, последний мог существовать несколько суток, и в нем могло успеть образоваться дополнительное количество флюоресцирующих частиц. Клетки фитопланктона размером 2r, подобно другим типам частиц, взвешенных в морской воде, оседают под действием силы тяжести со скоростью 2 gr 2 U= (σ ′ − σ ) , (4.11) 9 Λγ 104 где σ′ – плотность частиц; σ – плотность воды; γ – вязкость; Λ – коэффициент формы [142]. В пикноклине σ возрастает по сравнению с вышележащими слоями воды, так что при σ' = const (σ'–σ) → 0 и оседание частиц замедляется, из-за чего здесь и скапливаются взвешенные частицы [12]. Можно допустить, что подобным образом формируются и тонкие максимумы флюоресцирующих частиц на горизонтах с тонкими экстремумами градиентов гидрологических характеристик. Однако по крайней мере часть вышеприведенных данных не согласуется с этим предположением. Распределения на рис. 4.9 – пример образования тонкого максимума вне связи с градиентом плотности морской воды. Двойные максимумы на рис. 4.7 наблюдались под сезонным пикноклином, где тонкая структура градиентов плотности была маловыразительной. ! Таким образом, известные абиотические факторы формирования тонкоструктурных неоднородностей вертикальных распределений океанологических характеристик недостаточны для исчерпывающего объяснения тонких максимумов на профилях флюоресценции хлорофилла. Резонно предположить, что среди частиц, содержащих флюоресцирующий хлорофилл, преобладают живые клетки, а тонкие максимумы свечения хлорофилла представляют собой следствия их жизнедеятельности. В этом случае дополнительными причинами формирования тонких максимумов флюоресценции хлорофилла могут быть следующие процессы: 1) активные вертикальные движения клеток в слои с оптимальными условиями обитания. Жгутиковые, например, обладают органами движения и развивают скорость 10°– 102 м в сутки [135]; 2) вертикальные перемещения клеток благодаря их способности целесообразно менять свою плотность и тем самым плавучесть [142]. Скорость таких движений описывается выражением (4.11), но при σ ≠ const, и может достигать метров в сутки [142]; 3) ускоренное размножение водорослей в слоях с особо благоприятными условиями обитания. Пока нет прямых подтверждений роли перечисленных факторов в образовании тонких максимумов флюоресценции хлорофилла в толще океана. 4.5. Микрофлюктуации интенсивности флюоресценции хлорофилла Флюоресцирующий хлорофилл содержится в частицах разной крупности, способных объединяться в агрегаты, размеры и форма которых варьируют в широких пределах [135]. Средняя концентрация клеток фитопланктона составляет от 104–106 л-1 в эфтрофных до 0–102 л-1 в олиготрофных водах Мирового океана [60]. Известно, что средний квадрат флюктуаций числа частиц ( Δn 2 ) = ( n − n ) 2 пропорционален числу частиц n в данном объеме, а относительные флюктуации числа частиц ( Δ n ) 2 n −1 = n −1 / 2 (4.12) 105 и, следовательно, возрастают при уменьшении n. Поэтому сам факт пребывания хлорофилла в частицах и их агрегатах заставляет ожидать роста относительных флюктуации интенсивности свечения хлорофилла с переходом в область микромасштабов (размеры неоднородностей 103 см и менее). Этим интенсивность флюоресценции хлорофилла должна существенно отличаться от непрерывно распределенных субстанций и их свойств (температуры, электропроводимости, флюоресценции РОВ и др.). Микрофлюктуации последних определяются пульсациями скорости течений в море, спектр которых убывает с волновым числом вплоть до «внутреннего масштаба турбулентности» (долей сантиметра), где энергия турбулентности затухает еще быстрее из-за молекулярной вязкости [59]. Роль дисперсности гидрозоля в формировании микрофлюктуаций оптических свойств морской воды впервые была показана нами на примере данных о вариациях показателя рассеяния в Балтийском море. Однако он определяется всеми частицами, взвешенными в морской воде. Среди них фитопланктон составляет обычно малую долю. Отсутствие аналогий среди океанологических характеристик, невозможность предсказать влияние крупности и степени агрегированности фитопланктона на микрораспределение его свойств и практическая важность подобных сведений требуют постановки специальных исследований. При регистрации флюоресценции хлорофилла в океане обнаружилось, что соотношение между флюктуациями и средними значениями интенсивности флюоресценции хлорофилла сильно варьирует по вертикали и акватории океана, а сами флюктуации свечения хлорофилла гораздо интенсивнее флюктуаций свечения РОВ. В ряде случаев вопреки выражению (4.12) флюктуации интенсивности свечения хлорофилла возрастали вместе с увеличением ее средних значений. Такие «аномальные» флюктуации чаще встречались на нижнем крыле максимума вертикального распределения флюоресценции хлорофилла, но иногда они наблюдались во всей фотической толще. Случаи «аномальных» флюктуаций светорассеяния встречались реже и не всегда совпадали с «аномальными» флюктуациями флюоресценции хлорофилла. Чтобы выявить природу «аномальных» флюктуации, необходимо записать сигнал зонда-флюориметра на нескольких глубинах с разным уровнем интенсивности свечения хлорофилла и ее флюктуации и сравнить их с результатами стандартных определений взвешенных частиц и фитопланктона. Это удалось сделать на ст. 1467 17-го рейса НИС «Академик Курчатов» у побережья Перу [33]. Здесь флюктуации и средние значения сильно менялись по вертикали, волнение было слабым, дрейф судна – малым и равномерным и одновременно с измерениями флюоресценции велись наблюдения количества и состава взвешенных в воде частиц. На станции последовательно в смежные моменты времени в однородном слое на 60 м и в слое с большими вертикальными градиентами флюоресценции на 35 м был записан сигнал зонда-флюориметра, 106 настроенного сперва на измерения флюоресценции хлорофилла, затем – на измерения интенсивности рассеяния света под углом 90° в красной области спектра. Записи делались без светозащитного экрана на иллюминаторах зонда, что исключало разрушение агрегатов клеток в его рабочем объеме. Были получены записи дискретного сигнала объемом не менее 700 отсчетов каждая, и по ним рассчитаны средние значения Рис. 4.11. Распределения амплитуд сигналов рассеяния под прямым углом Р(Фр) и флюоресценции хлорофилла Р(Фхл) в перуанском прибрежном районе на ст. 1467 17го рейса НИС «Академик Курчатов». 1 и 2 – рассеяние на горизонтах 60 и 35 м; 3 и 4 – флюоресценция хлорофилла на 60 и 35 м. интенсивности флюоресценции Фхл и рассеяния Фр, их коэффициенты вариации СvФхл и СvФр , распределения импульсов по амплитудам Р(Фхл) и Р(Фр), коэффициенты асимметрии γ1 и эксцесса γ2 этих распределений и нормированные автокорреляционные функции Rхл(t) и Rр(t). Поведение корреляционных функций на обоих горизонтах свидетельствовало о том, что турбулентность, внутренние волны и качка судна не влияли на зарегистрированные флюктуации, а сами они были независимы друг от друга, что и должно было иметь место, если они обусловлены дисперсностью взвеси. Как и ожидалось по виду записей, соотношение Фхл и Сv Фхл было «аномальным» (они менялись сходным образом), но различия между γ1 и γ2 и Р(Ф) (рис. 4.11) на разных горизонтах оказались более выраженными. Эти различия невозможно объяснить погрешностями измерений, так как параметры аппаратуры, условия 107 наблюдений и способы обработки были одинаковы для всех записей. В то же время характер отличий между Р(Фхл) на 35 и 60 м хорошо согласовывался с данными о резком падении концентрации частиц и доли в ней крупной взвеси с глубиной и заключением биологов экспедиции о преобладании крупных форм фитопланктона в поверхностном слое океана ст. 1467. По тем же оценкам ниже 45 м он был однороден по содержанию и составу взвеси, причем дисперсность ее была велика. Поэтому на 60 м Р(Фхл) и Р(Фр) близки по форме, несмотря на различия физической природы флюоресценции и рассеяния. На глубине 35 м размеры частиц были разнообразнее за счет крупных частиц, чем и обусловлена тенденция перехода от распределения, напоминающее пуассоновское на 60 м, к распределению Р(Фхл) на 35 м, близкому к нормальному. Получить данные о вертикальном ходе характеристик мелкомасштабных флюктуаций флюоресценции хлорофилла путем регистрации сигнала на нескольких горизонтах нелегко, так как такие измерения требуют идеальных условий и занимают много времени. В какой-то степени эти ограничения преодолимы, если выполнить наблюдения методом непрерывного многократного зондирования (НМЗ). В предположении о стационарности содержания флюоресцирующих частиц за время измерений в узком слое можно разделить профили флюоресценции на такие слои и в каждом из них «сшить» выборки текущих значений интенсивности флюоресценции хлорофилла, полученных во время последовательных погружений прибора. Автор применил этот способ к результатам НМЗ на ст. 1650, 1652 и 1бб1 в восточной части Тихого океана (20-й рейс НИС «Дмитрий Менделеев»). Толщина слоев составила 2,5 м, а объем «сшитых» выборок – от 60 до 200 членов в зависимости от условий наблюдений. По этим выборкам рассчитывались профили средних значений, дисперсии, коэффициентов вариации, асимметрии γ1 и эксцесса γ2, а также гистограммы распределения импульсов по амплитудам. На ст. 1650 и 1652 (эфтрофные воды у побережья Перу) форма гистограмм и оценки коэффициентов γ1 и γ2 были сходны между собой. На ст. 1661 (мезотрофные воды) γ1 и γ2 были преимущественно положительны над максимумом средних значений интенсивности, а под ним их знаки оказались противоположными. Менялась и форма распределения импульсов от станции к станции и по вертикали. В ряде случаев она значимо отличалась от нормального закона. Проверка на стационарность по средним и дисперсиям показала, что изменения статистических характеристик и распределений не были вызваны трендом или периодическими колебаниями в «сшитых» выборках. Эти данные подтвердили изменчивость распределений микрофлюктуаций флюоресценции хлорофилла, выявленную по записям свечения на фиксированных горизонтах. 108 4.6. Мезомасштабная изменчивость флюоресценции хлорофилла Для ряда практических задач и понимания природы пространственно-временной изменчивости биологических явлений и связанных с ними океанологических характеристик, в частности флюоресценции хлорофилла, важно знать закономерности изменчивости с периодами от десятков минут до нескольких суток и пространственными масштабами от сотен метров до десятков километров. Согласно современной классификацией, такие периоды и масштабы начинаются у верхнего предела мелкомасштабных явлений и охватывают всю мезомасштабную область [15]. В эти границы попадают длиннопериодные внутренние волны, приливные и инерционные колебания течений, периодичность деления клеток фитопланктона, периоды вертикальной миграции его потребителей – зоопланктеров, и многие другие процессы и явления, способные влиять на концентрацию, состав и состояние пигментов водорослей в толще океана. Все эти разнородные факторы действуют одновременно, совместно и в разнообразных сочетаниях. Роль многих из них, да и сами они изучены еще совершенно недостаточно, и потому единственно возможный путь исследовать мезомасштабную пространственно-временную изменчивость флюоресценции хлорофилла состоит в том, чтобы осуществить инструментальные наблюдения в типичных океанологических ситуациях. Особый интерес представляют отличия характеристик изменчивости флюоресценции хлорофилла от характеристик изменчивости температуры, солености, флюоресценции РОВ и других веществ или свойств, не связанных с фитопланктоном. По этим отличиям удастся судить о роли биотических факторов изменчивости флюоресценции хлорофилла и возможности решения обратной задачи – определения закономерностей мезомасштабной изменчивости пигментов и фитопланктона по наблюдениям флюоресценции хлорофилла. Видимо, первые данные в этом направлении были получены Лоренценом [127], который выполнил непрерывную регистрацию флюоресценции хлорофилла проточным флюориметром на ходу судна в поверхностном слое моря и обнаружил участки с повышенными горизонтальными градиентами флюоресценции. За этой работой последовали новые варианты изучения мезомасштабного распределения флюоресценции посредством проточных флюориметров. Платт [136] трижды зарегистрировал флюктуации интенсивности свечения хлорофилла на глубине 8 м в заливе Св. Лаврентия и рассчитал функцию спектральной плотности для интервала периодов 1–100 мин. Все спектры хорошо апроксимировались показательной зависимостью от частоты с показателем – 1,66, отвечающим «закону 5/3» для локально-изотропной турбулентности. Отсюда он сделал вывод о том, что в указанном интервале периодов колебания флюоресценции определялись колебаниями концентрации хлорофилла под влиянием турбулентности в точке наблюдения. 109 Вскоре Денман [93] исследовал изменения флюоресценции хлорофилла и температуры вдоль нескольких галсов в эстуарии р. Св. Лаврентия. Часть из них была выполнена с двумя проточными флюориметрами и термометрами, регистрировавшими обе величины одновременно на двух горизонтах в 4 м друг от друга. По материалам наблюдений Денман рассчитал моменты распределений флюоресценции и температуры на галсах и функции спектральной плотности, когерентности и фазы, а также другие характеристики в масштабах от 100 до 104 м. По различиям и особенностям подобных характеристик вариаций флюоресценции и температуры он попытался выявить роль биологических факторов изменчивости флюоресценции. Однако радикальные отличия не обнаружились, и лишь относительно второстепенных отличий характеристик флюоресценции от характеристик температуры можно было сделать предположение, что они были вызваны биологическими причинами. Во время наблюдений Денмана [93] заметно менялся вертикальный ход температуры и флюоресценции, поэтому исходные записи едва ли пригодны для корректной оценки характеристик распределения. Буксируя зонд «Вариосенс» в поверхностном слое мелководной Пярнусской бухты, Кахру [44] сделал две записи сигнала флюоресценции хлорофилла и по ним рассчитал нормированные спектры ее изменчивости в интервале масштабов 50–1000 м. Оба спектра имели максимум на длине волны 1 км, происхождение которого автор связывает с процессом перемешивания речных вод с водами бухты. Фэшем и Пью попытались определить подобные характеристики и функции в открытом океане [101]. На дрейфовых станциях в западной части Бискайского залива и к югу от о-вов Зеленого Мыса с помощью проточного флюориметра они сделали 8 записей сигналов флюоресценции и температуры продолжительностью до 3–4 ч на глубинах от 15 до 100 м. Основная черта оценок спектров, рассчитанных по этим данным, – убывание «мощности» флюктуации флюоресценции и температуры с частотой (от 1 до 100 циклов в час) по закону «–2» степени. Авторы заключили, что наблюдавшаяся ими изменчивость величин была связана главным образом с внутренними волнами, и лишь некоторые детали поведения спектров и когерентности трактовались ими как возможные проявления собственной неоднородности распределения фитопланктона в изменчивости флюоресценции хлорофилла. Одномерные распределения, получаемые по записям на фиксированном горизонте в дрейфе или вдоль горизонтальной трассы, трудно поддаются истолкованию скорее всего потому, что по ним невозможно определить конфигурацию и ориентацию неоднородностей распределения исследуемой величины. Такие сведения особенно важны, когда изучаются отличия полей характеристик, связанных с живым веществом, от полей абиотических характеристик. Одна из первых попыток получить двумерные мезомасштабные 110 распределения флюоресценции хлорофилла принадлежит Стилу [143], который весной 1976 г. в Северном море на глубине 3 м осуществил непрерывную регистрацию температуры, солености, концентрации нитратов и флюоресценции хлорофилла с судна, следовавшего по меридиональным галсам в квадрате 15×15 миль. Автор отметил отсутствие очевидного сходства в любой из пар распределений и не нашел объяснения их неоднородностей. Чтобы проверить стабильность горизонтального мезомасштабного распределения, Лила [52] зарегистрировал свечение хлорофилла на глубине 1 м в центральной части Балтийского моря. Здесь судно с аппаратурой дважды с интервалом 4 ч проследовало по полигону 2,5×2,5 мили галсами через 0,5 мили. В пределах полигона флюоресценция менялась более чем вдвое, но средние и дисперсии обеих съемок совпали, а их результаты были связаны между собой корреляцией средней силы. В пределах полигона не были обнаружены экстремумы горизонтального распределения флюоресценции хлорофилла. Особенно интересны мезомасштабные неоднородности флюоресценции хлорофилла во фронтальных зонах и разделах, к которым могут быть приурочены резкие изменения концентрации фитопланктона [74]. Используя проточный флюориметр со встроенным термометром и датчиком электропроводимости, Марра с соавторами [128] зарегистрировали свечение хлорофилла и температуру на глубине 2 м с судна, шедшего галсами в окрестностях температурного фронта над континентальным шельфом к югу от о. Лонг-Айленд. Они не обнаружили прямой связи между распределениями температуры и флюоресценции в масштабах 1–10 км, но показали, что флюоресценция разгоралась там, где уменьшалась толщина верхнего перемешанного слоя. Этот результат перекликается с данными об обратной корреляционной зависимости средней силы между вариациями суммарной флюоресценции слоя 0– 60 м и мощностью слоя промежуточных вод в Балтийском море в квадрате 25×25 миль [115]. В обоих случаях формирование мезомасштабных неоднородностей свечения хлорофилла объясняется локальными неоднородностями концентрации фитопланктона, возникающими там, где сокращается путь от источника биогенных элементов – глубинного слоя – до фотической зоны с развивающимся фитопланктоном. Распределение флюоресценции хлорофилла вблизи температурного фронта в поверхностном слое центральной части Балтийского моря было обследовано посредством проточного флюориметра и буксируемого термометра [38]. В отличие от ситуации, описанной в [128], здесь положение фронта и температурный градиент в нем не менялись за время наблюдений, однако распределение флюоресценции хлорофилла, как и в [128], не имело видимого сходства с температурным полем, а локальные экстремумы флюоресценции находились в нескольких километрах от фронта. В сентябре 1983 г. тем же способом был обследован температурный фронт в юго-западной части Балтийского моря. Он имел ту же 111 амплитуду, что и фронт в центре Балтики (1°С на 1 км), но смещался к юго-западу со скоростью 0,12 узла. И в этом случае экстремумы горизонтального распределения флюоресценции находились вне фронта, изотермы и изоплеты флюоресценции располагались на обследованной акватории независимо друг от друга, а оценки коэффициентов корреляции температуры и флюоресценции, найденные по выборкам данных вдоль галсов разной ориентации, не имели значимых отличий от нуля. Эти и некоторые другие наблюдения приводят к выводу о том, что факторы, способствующие возникновению и поддержанию гидрологических фронтов, не всегда оказывают непосредственное влияние на распределение флюоресценции хлорофилла в масштабах до 103–104 м. Вероятная причина состоит в том, что популяция фитопланктона – носителя флюоресцирующего хлорофилла – способна отреагировать на изменения внешних условий с задержкой на промежуток времени, определяемый темпом рождения и гибели водорослей, т. е. приблизительно на сутки. Наличие экстремумов флюоресценции хлорофилла, удаленных от температурного фронта на несколько километров, согласуется с подобным предположением. Если оно справедливо, то стационарные возмущения морской среды тех же пространственных масштабов должны порождать особенности распределения флюоресценции хлорофилла, совмещенные с самими возмущениями. Наши измерения температуры, скорости течения и флюоресценции хлорофилла на акватории протяженностью до 20 миль в южной части Балтийского моря выявили циклонический вихрь, положение которого оставалось неизменным в течение нескольких суток, поперечник достигал 5– 10 миль, а центр уверенно маркировался понижением температуры на 1,5–2°С относительно температуры воды на смежных участках моря. К минимуму температуры был приурочен максимум свечения хлорофилла, что естественно объяснить повышением концентрации фитопланктона вследствие притока биогенных элементов под влиянием подъема вод, присущего центральной части циклонического вихря. Наряду с двумерным горизонтальным распределением флюоресценции хлорофилла в поверхностном слое изучались мезомасштабные вариации ее вертикального хода. Основной метод – непрерывное многократное зондирование (НМЗ) в дрейфе или на ходу судна. Учитывая обычную скорость дрейфа судна, толщину фотического слоя, затраты времени на одно зондирование и продолжительность измерений на 2–3-часовой станции, можно полагать, что наблюдения методом НМЗ в дрейфе способны дать сведения о неоднородностях с размерами 102–104 м. Для наблюдений методом НМЗ в дрейфе зарубежные исследователи нередко используют проточные флюориметры, опуская и поднимая ходовой конец водозаборного шланга [94]. Более достоверные сведения о вариациях формы профилей флюоресценции дают многократные 112 погружения зондов-флюориметров. Этот вариант НМЗ использовался нами с 1974 г. В табл. 4.5 и на рис. 4.12 приведены некоторые результаты НМЗ, полученные посредством зонда ИПФ-70 в различных океанологических ситуациях. По крайней мере в нескольких из них (2, 6, 8, 10 и 11 на рис. 4.12) средние профили сохранили особенности мгновенных (дополнительные максимумы, квазиоднородные прослойки и др.). Тем самым подтверждается реальность типов профилей флюоресценции хлорофилла, выявленных на основании измерений «мгновенных» вертикальных распределений, на которые, вообще говоря, могли накладываться случайные короткопериодные флюктуации флюоресценции. По рис. 4.12 видно, что относительная горизонтальная изменчивость свечения хлорофилла непостоянна по вертикали, будучи минимальной в максимумах средних значений интенсивности, а максимальной там, где велика скорость изменения флюоресценции с глубиной. Здесь отклонения от средних могут быть сравнимыми с самими средними, тогда как на глубинах максимумов средних значений относительная изменчивость флюоресценции хлорофилла способна убывать до 1– 2%. Вместе с тем всякий раз, когда в смежные отрезки времени методом НМЗ измерялись флюоресценция хлорофилла, РОВ и рассеяние света, изменчивость последних вне слоев с внутренними волнами была в 1,5–3 раза меньше относительной изменчивости флюоресценции хлорофилла. Поскольку сравниваемые наблюдения были сделаны одним и тем же зондом и обрабатывались одинаковым способом, повышенную относительную мезомасштабную изменчивость интенсивности флюоресценции хлорофилла следует признать специфическим свойством содержащих его частиц. Двумерные распределения в координатах глубина – время или глубина – протяженность дрейфа, построенные по данным НМЗ, показали, что появление экстремумов относительной изменчивости флюоресценции хлорофилла связано с разными типами нестабильности формы ее профилей. Например, заглубление максимумов флюоресценции на двух станциях в Индийском океане (рис. 4.13, 1 и 2) могло быть вызвано длиннопериодными внутренними волнами в пикноклине, где залегали эти максимумы. На другой станции (рис. 4.13, 3) монотонное уменьшение глубины максимума от 75 до 60 м сменилось его колебаниями под действием внутренних волн с периодом около 30 мин. Влияние внутренних волн было заметно также на станции в восточной части Тихого океана (рис. 4.14, I). Там же на двух других станциях (рис. 4.14, II и III) интенсивность флюоресценции хаотично колебалась в максимуме ее вертикального распределения. Вероятно, ее колебания были обусловлены турбулентностью. На ст. 1652, например, вектор скорости имел модуль 11 см/с и направление 270° на 10 м, на 30 м – 55 см/с и 180°, на 50 м – 43 см/с и 173° соответственно. Как раз в слое 10–30 м с наибольшим сдвигом в поле скорости (с наибольшей турбулентностью) ход изоплет флюоресценции особенно нерегулярен (рис. 4.14, III). 8 Заказ № 698 113 Таблица 4.5 Условия наблюдений изменчивости флюоресценции хлорофилла методом непрерывного многократного зондирования Номер района (рис. 4.12) Район Станция (дата) Тн ч мин Тк ч мин Р С мг/м3 Индийский океан 1 8°36' с.ш., 95° в. д. 2 12°40' с. ш., 90° в. д. 3 15°11' с. ш. 90° в. д. 5 Черное море 45° с. ш., 35° в. д. Тихий океан Экватор, 140° з. д. 6 7°50' ю.ш, 80° 36' з. д. 7 15°04' ю.ш. 75°27' з. д. 8 14°53° ю.ш, 75°50' з. д. 9 1Г06' ю.ш. 104°32' з. д. 10 11°20' ю.ш. 133°37' з. д. 11 14°16' ю.ш. 165°56' з. д. 4 7565 29/III 1977 7567 1/IV 1977 7568 2/IV 1977 9 10 10 00 9 0,3 13 45 14 27 7 0,4 12 45 14 38 9 0,2 29/IX 1978 22 00 22 25 7 – 1458 30/I 1974 1634 5/III 1978 1650 17/III 1978 1652 18/III 1978 1661 28/III 1978 1663 3/IV 1978 1664 11/IV 1978 8 45 10 35 6 0.4 08 20 09 15 12 0,3 11 31 12 11 15 2,0 20 32 21 21 20 2,5 17 55 18 57 11 <0,1 16 40 17 55 15 <0,1 06 32 07 35 13 <0,1 Примечание. Тн и Тк – местное время начала и конца наблюдений; Р – число зондирований; С мг/м3 – предельная концентрация хлорофилла во время наблюдений. В открытой части Тихого океана на ст. 1661 толщина максимума флюоресценции увеличилась за время НМЗ с 9 до 14 м, на ст. 1663 флюоресценция циклически менялась в пикноклине, а на ст. 1664 в олиготрофных водах отрезки дрейфа со слабыми колебаниями флюоресценции чередовались с участками, где ее вариации не превышали погрешностей измерений. Двумерные вертикальные распределения свидетельствуют о существовании связей флюктуации флюоресценции на разных глубинах. Однако визуальное сравнение изоплет на рисунках пригодно лишь для качественных суждений о таких связях. Чтобы найти их количественные характеристики, по каждой серии профилей НМЗ на отдельной станции были рассчитаны коэффициенты корреляции между флюоресценцией на разных горизонтах. Из оценок коэффициентов были составлены корреляционные матрицы ρij в виде треугольных таблиц, строки которых давали 8* 115 представление о связи флюктуации флюоресценции на глубине zi с флюктуациями на всех нижележащих горизонтах, а столбцы – о связи флюктуации на глубине zj с флюктуациями на всех выше- Рис. 4.13. Распределения интенсивности флюоресценции хлорофилла (усл. ед.) в северной части Индийского океана. Построены по результатам измерений методом НМЗ на ст. 7565 (I), 7567 (II) и 7568 (III) 61-го рейса НИС «Витязь» (табл. 4.5). Знаком v отмечены начальные моменты зондирований, использованных при построении разрезов. лежащих горизонтах. Отдельный член такой матрицы является оценкой кросс-корреляционной функции колебаний флюоресценции на глубинах zi и zj при нулевом сдвиге. При интерпретации матриц использовались 4 градации коэффициента корреляции (от +1,0 до +0,7 – сильная положительная связь, от +0,7 до 0,0 – средняя и слабая положительная, от 0,0 до –0,7 – то же, отрицательная и от –––0,7 до – 1,0–сильная отрицательная связь). Структура ρ-матриц заметно менялась вместе с условиями наблюдений. Для станций 1650, 1652 и 1664 в Тихом океане модули 116 и знаки коэффициентов корреляции распределялись в пределах матрицы совершенно хаотично. На ст. 1664 изменчивость интенсивности свечения была мала и сравнима с погрешностями Рис. 4.14. Распределения интенсивности флюоресценции хлорофилла (уел, ед.) в перуанском прибрежном районе Тихого океана. Построены по результатам НМЗ на ст. 1634 (I), 1650 (II) и 1652 (III) 20-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев» (табл. 4.5). Диаграмма на графике III – векторы течений на горизонтах 10, 30 и 50 м по данным синхронных инструментальных наблюдений. Остальное – как на рис. 4.13. измерений, и потому хаотичность ρ-матрицы объяснима влиянием случайных погрешностей на оценки изменчивости флюоресценции. Применительно к станциям 1650 и 1652 этого сказать нельзя (рис. 4.12), и причиной отсутствия выраженной структуры 117 ρ-матриц следует считать турбулентность, которая повлекла независимость колебаний флюоресценции на разных глубинах. Самой характерной чертой ρ-матриц оказалось наличие участков, в пределах которых оценки связи между колебаниями флюоресценции в смежных слоях претерпевали резкие изменения. Обычно хотя бы один из таких участков относился к глубинам, где залегал максимум средних значений интенсивности свечения. Если он был единственным на среднем профиле, то ρ-матрица Рис. 4.15. ρ-матрицы интенсивности Ф флюоресценции хлорофилла, рассчитанные по данным НМЗ на ст. 7565 (а) и 7568 (б) (табл. 4.5) при Δz = 5 м. На врезках – профиль среднего значения флюоресценции Ф усл. ед. (1) и диагональ ρ-матрицы (2), т. е. коэффициент корреляции ρ(n,n + 1) колебаний Ф в смежных слоях толщиной 5 м, n – номер слоя. приобретала простой вид в толще, где не сказывался суточный ритм или иные факторы мезомасштабной изменчивости. В этом случае вблизи диагонали матрицы в верхней и нижней ее частях группируются большие положительные ρ, а в средней части около глубины максимума – малые положительные или отрицательные, и все поле матрицы делится на три участка, два из которых содержат преимущественно положительные оценки коэффициентов корреляции, а один – преимущественно отрицательные (рис. 4.15). На примере ст. 7568 видно, что такая структура ρ-матрицы реализуется при наличии внутренних волн. Изменения флюоресценции в смежных слоях воды над и под максимумом свечения хорошо коррелированы, так как имеют одинаковую направленность в течение всех измерений. В смежных слоях по обе стороны от горизонта, относительно которого колеблется максимум, направленность вариаций флюоресценции не совпадает и соответствующий коэффициент корреляции приближается к нулю или становится отрицательным. 118 Зависимость структуры ρ-матрицы от наличия максимума на профиле средних значений, а не только от относительного движения вод доказывается результатами НМЗ флюоресценции хлорофилла и РОВ на ст. 7565 в Индийском океане. В отличие от свечения хлорофилла, флюоресценция РОВ в термоклине монотонно возрастала, и соответственно ее ρ-матрица не имела там резких изменений корреляции в смежных слоях вблизи пикноклина, несмотря на наличие внутренних волн. На ст. 1661 в Тихом океане ρматрица флюоресценции хлорофилла имела такой же вид, как и на рис. 4.15, однако причиной ее перестройки в окрестностях глубины максимума средних значений выступали не внутренние волны, а постепенное увеличение ширины и амплитуды максимума. Особенно интересна ρ-матрица свечения хлорофилла на ст. 1634 в Тихом океане, где его средний профиль имел сложную форму, а интенсивность испытывала квазипериодические изменения на нескольких горизонтах. Матрица была разделена на ряд участков (рис. 4.16) и указывала на то, что в толще океана существовало несколько слоев, в пределах каждого из которых колебания флюоресценции хлорофилла были тесно связаны между собой. По минимумам коэффициента корреляции ρ(n,n+1) на смежных горизонтах zn и zn+1 легко определить границы таких участков (рис. 4.16). Величина ρ(n,n+1) в каждом из 4 минимумов значимо отличалась от ρ(n,n+1) на глубинах, где ρ(n,n+1) были сравнительно стабильны и составляли 0,7–0,9. По рис. 4.12(6) видно, что эти минимумы не были вызваны малостью изменчивости флюоресценции на соответствующих горизонтах и что они тяготели к тем глубинам, где вертикальный градиент средних значений был близок или равнялся .нулю (30 и 80, 15 и 62,5 м соответственно). Иными словами, минимумы ρ(n,n+1) были приурочены к максимумам «элементарных» одномодальных распределений флюоресценции хлорофилла, из которых состоял профиль сложной формы на рис. 4.12(6). Отсюда следует, что появление нескольких минимумов ρ(n,n+1) могло быть обусловлено все тем же сочетанием формы профиля флюоресценции с вертикальными колебаниями водной толщи. Вместе с тем сложность формы среднего профиля на ст. 1634 могла быть следствием непостоянства состава фитопланктона но вертикали, на что указывают данные синхронных биологических определений (рис. 4.16). Поэтому не следует исключать и такую причину минимумов ρ(n,n+1), как вертикальная перемежаемость состава фитопланктона. Из-за нее водная толща могла быть разделена на несколько слоев, в пределах каждого из которых горизонтальные вариации флюоресценции имели одинаковую направленность, но на смежных горизонтах по обе стороны от границы слоев флюоресценция менялась по-разному вследствие различий состава водорослей в них. Такая интерпретация заслуживает, однако, меньше доверия из-за фрагментарности биологических данных. 119 ρ-матрицы позволили выявить особенности мезомасштабной изменчивости флюоресценции хлорофилла, которые трудно обнаружить более доступными приемами обработки результатов наблюдений. Выяснилось, что изменения флюоресценции в слоях, от- Рис. 4.16. ρ-матрица интенсивности Ф флюоресценции хлорофилла, рассчитанная по данным НМЗ на ст. 1634 (табл. 4.5) при Δz = 5 м. Функция ρ(0,n) – профиль коэффициента корреляции колебаний Ф в слое от 0 до 5 м с колебаниями в нижележащих слоях. Cотн – доля жгутиковых (1), диатомовых (2), перидиней (3) в суммарной численности клеток фитопланктона согласно биологическим оценкам на той же станции. Остальное – как на рис. 4.15. стоящих друг от друга на десятки метров и разделенных прослойками с ρ(n,n+1) ≈ 0, бывают связанными между собой почти столь же тесно, как и на смежных горизонтах, хотя «в среднем» модули ρ(Фi,Фj,) убывают с ростом (zi–zj). Такое поведение флюоресценции хлорофилла наблюдалось, например, на ст. 1661 в Тихом океане. Там ее вариации имели одинаковую направленность всюду, кроме слоя около 65 м. На ст. 1634 наблюдалась обратная зависимость между свечением в поверхностном слое и на 20–25 и 90–100 м (рис. 4.16). Пока эти связи и зависимости не поддаются уверенной интерпретации из-за недостаточного объема сопутствующих наблюдений. В то же время они не должны быть артефактами вследствие систематических или случайных погрешностей, так как последние способны лишь 120 разрушать зависимости между колебаниями флюоресценции на разных глубинах, а первые не могут действовать избирательно на результаты измерений свечения в каком-либо узком слое. Будучи самыми простыми и доступными, наблюдения методом НМЗ в дрейфе страдают существенными ограничениями: они медленны и неспособны дать трехмерную картину распределения флюоресценции, по их результатам трудно отделить временную изменчивость от пространственной. НМЗ в режиме буксировки в принципе позволяет преодолеть эти недостатки, поэтому в последние годы многократное зондирование на ходу судна находит все большее применение. Денман и Херман [95], видимо, первые изучали распределение флюоресценции хлорофилла методом НМЗ в режиме буксировки. Они разместили зонд-флюориметр «Вариосенс» на ныряющем носителе «Бэтфиш», снабженном измерителями температуры и электропроводимости, и зарегистрировали вариации последних вместе с флюоресценцией хлорофилла вдоль двух галсов в заливе Св. Лаврентия. Носитель двигался по пилообразной траектории в слое толщиной 70–90 м. Распределения температуры, солености, плотности и концентрации хлорофилла, построенные по результатам НМЗ в координатах глубина – протяженность буксировки, выявили сложную картину изменений вертикального хода этих характеристик вдоль галсов и показали, что внутренние волны были не единственным фактором неоднородности распределения флюоресценции хлорофилла. Выяснилось, что горизонтальные вариации температуры и солености взаимно компенсировались в поле плотности и что максимумы горизонтального распределения флюоресценции хлорофилла на поверхности океана были приурочены к линзе теплой легкой воды. Эти наблюдения были выполнены в сравнительно мелководном районе со сложной динамикой вод, и потому оказалось невозможным сделать определенные заключения о вкладе биологических факторов в неоднородности распределения флюоресценции хлорофилла. Серия наблюдений методом НМЗ в режиме буксировки была выполнена в Балтийском море посредством зонда ИПФ-70, размещенного в обтекаемом носителе. Последний соединялся с судном кабель-тросом, стравливая и выбирая который удалось буксировать прибор по пилообразной траектории в интервале глубин от 2–3 до 50– 60 м с длиной волны колебаний носителя не более 500–600 м при скорости судна 6 узлов. Чтобы оценить трехмерное распределение флюоресценции хлорофилла, в августе 1979 г. на акватории к западу от о. Сааремаа с глубиной 100 м был выставлен реперный буй и на курсах 135, 260 и 15° относительно буя были проложены галсы с измерениями флюоресценции хлорофилла методом НМЗ на ходу судна. Наблюдениями был охвачен круг диаметром 4 км с буем в центре. В пределах круга всюду, за исключением отдельных участков, флюоресценция имела слабый максимум в слое 8–12 м над слабым термоклином. 121 Более мощный термоклин находился между 25 и 30 м, и под ним флюоресценция убывала в 4–5 раз по сравнению с подповерхностным слоем. Относительная горизонтальная изменчивость достигала 12–15 % от среднего уровня флюоресценции между основным и дополнительным термоклином и была явно связана с малыми вариациями их рельефа. Во всей обследованной толще отсутствовали максимумы горизонтального хода флюоресценции хлорофилла. Гораздо более сложная картина наблюдалась в районе Готландской впадины на разрезе длиной 15 км, построенном по результатам аналогичных наблюдений через несколько дней после Рис. 4.17. Распределение интенсивности флюоресценции хлорофилла (усл. ед.) в толще 0–45 м в Готландской впадине Балтийского моря (август 1979 г.). Построено по данным НМЗ зондом ИПФ-70. Профиль температуры Т°С измерен батитермографом перед буксировкой. L – протяженность буксировки, км. работ у о. Сааремаа. Здесь (рис. 4.17) в слое 0–5 м флюоресценция была яркой и мало менялась на протяжении всего разреза. Между глубинами 7 и 10 м на большей части разреза залегал минимум свечения, а вблизи горизонта 15 м группировались наибольшие значения интенсивности флюоресценции. По рис. 4.17 видно, что максимум флюоресценции около 15 м примыкал к верхней границе термоклина и что горизонтальные неоднородности в этом максимуме были намного лучше выражены, чем в слое 0–5 м. На разрезе нет признаков регулярных внутренних волн или связи между неоднородностями в максимуме и на поверхности моря. Тогда же наблюдения методом НМЗ на ходу судна были продолжены в южной части Балтийского моря. Здесь мезомасштабные распределения флюоресценции хлорофилла оказались промежуточными по своей сложности между распределениями у о. Сааремаа и в Готландской впадине. Эти и некоторые другие результаты НМЗ и регистрации временного и пространственного хода флюоресценции на фиксированном горизонте не позволили уверенно опознать проявление 122 биологических факторов мезомасштабной изменчивости свечения хлорофилла. Исключение составляет лишь суточный ритм, обнаруженный по наблюдениям в течение многих часов или нескольких суток. Во время этих наблюдений было замечено, что на циклические изменения флюоресценции иногда накладываются вариации иного характера, сравнимые или превосходящие по амплитуде суточный ритм и связанные с нестационарностью или неоднородностью полей абиотических характеристик. Поскольку общей причиной изменчивости полей океанологических характеристик любого рода выступают вариации поля скорости течения, естественно попытаться проверить существование связи между апериодическими изменениями флюоресценции и полем скорости течения. Такую проверку впервые удалось сделать по материалам наблюдений в 17-й рейсе НИС «Академик Курчатов» в Тихом океане на экваторе на ст. 1456 (122° з.д.). Здесь одновременно измерялись профили флюоресценции хлорофилла зондом ИПФ-70, профили температуры и электропроводимости цифровым зондом АИСТ и скорости течения на нескольких горизонтах вертушками БПВ-2 [5]. Некоторые результаты этих измерений приведены на рис. 4.18. Сравнивая профили хлорофилла на этом рисунке, нетрудно заметить, что в согласии с закономерностями суточного ритма отношение флюоресценции в поверхностном слое и в максимуме было меньше днем, чем ночью. Однако амплитуда и форма максимумов на профилях, измеренных в одинаковые сроки с суточным интервалом, не были одинаковыми. Их отличиям соответствовали отличия профилей вертикального градиента условной плотности: за сутки в слое 40–50 м он вырос вдвое, тогда как в выше- и нижележащих слоях действовала обратная тенденция. Следовательно, на протяжении наблюдений на ст. 1456 в слое от поверхности до 20–30 м облегчалось развитие вертикального перемешивания, а в максимуме флюоресценции, напротив, плотностная стратификация все более препятствовала вертикальному перемешиванию вод. Волнение на ст. 1456 было слабым и не могло быть причиной этих изменений. Векторные диаграммы на рис. 4.18 свидетельствуют о том, что высокие значения градиентов плотности и максимумы флюоресценции сохранялись на протяжении суток в слое около горизонта 40 м, где вектор скорости течения был намного стабильнее по модулю и направлению, чем на выше- и нижележащих горизонтах. На них вертикальные градиенты скорости достигали 10-2–100 с-1, и, следовательно, там существовали условия для развития интенсивного турбулентного перемешивания [59]. Поскольку формирование профилей флюоресценции хлорофилла определяется темпом деления клеток планктона, т. е. имеет временной масштаб от часов до суток, возможно влияние мезомасштабной стабильности скорости водного потока на локализацию максимумов свечения хлорофилла по вертикали. Подтверждение тому было найдено при сопоставлении флюоримет123 рических данных и результатов измерения скорости течения на двух экваториальных суточных станциях в Индийском и Тихом Рис. 4.18. Вертикальный ход интенсивности Ф флюоресценции хлорофилла и градиента условной плотности воды Гσ (пунктир) и векторные диаграммы скорости течения на 122° з. д. в Тихом океане на экваторе, ст. 1456 17-го рейса НИС «Академик Курчатов». Сроки и даты измерений – на графиках. Числа при векторах – глубины в метрах. океанах. Там максимумы флюоресценции тяготели к толщам, в которых скорость течения была стабильнее по модулю и направлению. Напротив, на одной из станций в перуанском прибрежном районе форма профилей сильнее варьировала как раз в слое с необратимыми изменениями вектора скорости водного потока. Значительная мезомасштабная изменчивость количества 124 флюоресцирующих частиц и характеристик их распределения по вертикали, обусловленная динамическими процессами, была выявлена также путем измерений на 30 получасовых станциях в квадрате 37×46,3 км в Балтийском море [115]. 4.7. Связь интенсивности флюоресценции пигментов с биогидрохимическими и оптическими характеристиками морской среды Принадлежность флюоресцирующего хлорофилла к биогенной взвеси выступает предпосылкой зависимостей интенсивности его свечения от проявлений жизнедеятельности и факторов, определяющих развитие водорослей в океане. Знание подобных зависимостей важно для выяснения природы вариаций флюоресценции и понимания функционирования популяций фитопланктона. Получить достоверные сведения о таких зависимостях нелегко, так как они формируются под действием многих факторов, которому еще нет адекватного описания. Пока можно лишь сопоставить результаты совместных наблюдений флюоресценции хлорофилла и биогидрохимических характеристик. Такая попытка была предпринята нами в Атлантическом отделении ИОАН, где были собраны материалы нескольких комплексных экспедиций в Индийском и Тихом океанах, во время которых измерения флюоресценции хлорофилла зондом ИПФ-70 сопровождались гидрохимическими и биологическими определениями в пробах воды. Поскольку спектроскопические характеристики и причины изменчивости фитопланктона могли быть непостоянны по вертикали, сравнивалось поведение флюоресценции хлорофилла и некоторых океанологических характеристик в более или менее узких слоях, квазиоднородных по своим свойствам. Обычно число проб воды, взятых за одну экспедицию в пределах слоя, не превышало нескольких десятков. Некоторые отличия методик определений в пробах и условий их взятия в разных экспедициях не позволили составить для каждого слоя однородные выборки данных большого объема. По этим причинам пришлось ограничиться расчетом простейшего показателя стохастической зависимости – коэффициента парной линейной корреляции с его доверительными интервалами при 95%-ном уровне значимости. Совместные наблюдения флюоресценции хлорофилла, содержание фосфатов Р-PO4 и нитратов N-NO3 в морской воде были выполнены в тропической зоне Индийского океана (10-й рейс НИС «Дмитрий Менделеев», июнь–сентябрь 1973 г.; 22-й рейс НИС «Академик Курчатов», март–июнь 1976 г.) и в Тихом океане (17-й рейс НИС «Академик Курчатов», январь–март 1974 г.; 20-й рейс НИС «Дмитрий Менделеев», январь–апрель 1978 г.). Данные по Индийскому океану были собраны преимущественно в водах с малой и средней биологической продуктивностью, тогда как тихоокеанские наблюдения охватывали более широкий диапазон условий 125 вплоть до предельно продуктивных акваторий перуанского прибрежного района. Коэффициенты корреляции между содержанием Р-PO4 и флюоресценцией хлорофилла в Индийском океане не имели значимых отличий от нуля. Они были найдены по выборкам для слоев 0– 10, 50–70 и 100–200 м объемом 16, 19 и 19 пар определений соответственно по данным рейса НИС «Дмитрий Менделеев» и по выборкам для горизонта 0 м, верхнего квазиоднородного слоя, горизонта с максимумом флюоресценции хлорофилла, горизонта с максимумом градиента плотности морской воды и внутреннего однородного слоя по данным рейса НИС «Академик Курчатов» (объемы соответствующих выборок 42, 34, 41, 43, 41). По результатам измерений в экваториальной дивергенции Тихого океана рассчитывалась корреляция флюоресценции хлорофилла с концентрацией фосфатов во всех 23 пробах без дифференциации по слоям. Здесь также были получены оценки, не имевшие значимых отличий от нуля. Аналогичный результат был найден и в перуанском прибрежном районе в слое 0–10 м (54 пары) и на горизонте с максимумом флюоресценции (26 пар), но в слое 140–180 м коэффициент корреляции возрос до 0,6 при доверительном интервале 0,2–0,8. Во всех перечисленных слоях концентрация нитратов не коррелировала с флюоресценцией хлорофилла, за исключением верхнего квазиоднородного слоя по маршруту 22-го рейса НИС «Академик Курчатов», где коэффициент корреляции между ними составил 0,5. По данным того же рейса была сделана попытка проверить существование криволинейной связи флюоресценции с содержанием фосфатов и нитратов в морской воде в соответствии с методикой расчета из [11]. При этом были получены оценки критериев существования такой связи, которые не имели значимых отличий от нуля. Из всей совокупности оценок корреляции следует, что в тропической зоне океана стохастическая связь флюоресценции хлорофилла и концентрации биогенных элементов может быть в лучшем случае средней силы, но чаще вовсе отсутствует. В лабораторных опытах Кифера [121] и Бласко [87] свечение хлорофилла водорослей разгоралось с уменьшением содержания биогенных элементов в воде. Отсутствие признаков отрицательной связи флюоресценции с биогенными элементами, выявленное в натурных наблюдениях, указывает на то, что концентрация биогенных элементов не является существенным фактором вариаций свечения хлорофилла в тропической зоне океана. Этому заключению противоречит, казалось бы, сильная отрицательная корреляционная связь флюоресценции хлорофилла и концентрации фосфатов и кислорода, найденная по непрерывным измерениям в слое 1–3 м вдоль трассы длиной свыше 700 км к западу от Калифорнии [140]. Однако сами авторы указанной работы отмечают, что главной причиной высоких оценок корреляции была резкая смена океанологической ситуации на северном конце трассы и 126 что на отдельных ее отрезках с различными гидрофизическими условиями такая связь не наблюдалась. Содержание растворенного кислорода не коррелировало с флюоресценцией хлорофилла на всех горизонтах фотического слоя в экваториальной зоне Тихого океана и в центральной и западной– Индийского (17-й и 22-й рейсы НИС «Академик Курчатов»). Напротив, в перуанском прибрежном районе по данным 20-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев» в слоях 0–10 м, на глубине залегания максимума флюоресценции хлорофилла и от 140 до 180 м коэффициенты корреляции между содержанием растворенного кислорода и интенсивностью свечения хлорофилла составили 0,6, 0,6 и –0,6 соответственно, значимо отличаясь от нуля. Такой вертикальный ход связи содержания кислорода с флюоресценцией хлорофилла в морской воде неплохо согласуется с представлениями о функционировании популяции фитопланктона в толще океана [135]. В верхнем слое фотической зоны на акваториях океана с высокой биологической продуктивностью фитопланктон служит дополнительным источником растворенного в воде кислорода, и потому направленность изменений его концентрации и концентрации флюоресцирующих частиц оказываются сходными. От 140 до 180 м водоросли заведомо находятся ниже компенсационной точки фотосинтеза и потребляют кислород на дыхание. Поэтому здесь возможна обратная зависимость между ним и свечением хлорофилла. Отсутствие аналогичных тенденций в мало- и среднепродуктивных водах скорее всего вызвано преобладанием абиотических факторов изменчивости содержания кислорода в водной толще из-за относительной слабости фотосинтеза. Наблюдения на трассе к западу от Калифорнии [140] свидетельствовали о возможности существования тесной положительной стохастической связи между флюоресценцией хлорофилла и другими растворенными газами – СО и Н2. Авторы работы объясняют сходство их изменчивости процессами трансформации биогенного материала в фотическом слое. Представляет интерес соотношение между флюоресценцией хлорофилла и характеристиками частиц, взвешенных в морской воде. Одной из таких характеристик является концентрация аденозинтрифосфата (АТФ) – вещества, в химических связях которого фиксируется световая энергия, поглощенная хлорофиллом и другими фотосинтетическими пигментами. АТФ быстро разрушается после отмирания водорослей, на основании чего были сделаны попытки определять биомассу живого фитопланктона по концентрации АТФ во взвеси, которые, однако, дали противоречивые результаты [135]. В 17-м рейсе НИС «Академик Курчатов» в экваториальной и восточной частях Тихого океана были получены выборки парных определений АТФ и флюоресценции хлорофилла, по которым рассчитывались коэффициенты корреляции между ними раздельно для темного и светлого времени суток и в слоях с разным уровнем фотосинтетически активной радиации (ФАР). Такими уровнями были выбраны 20%–100%, 1%–20% и менее 1% ФАР на поверхности 127 океана. Во всех вариантах счета коэффициенты корреляции оказались положительными и статистически значимыми, их модули лежали в пределах от 0,5 (выборка слоя с ФАР менее 1 %) до 0,7 (выборка для темного времени суток), но между коэффициентами корреляции не было значимых отличий. Важными характеристиками частиц, взвешенных в морской воде, являются их концентрация и крупность. Вариации последних удалось сравнить с изменчивостью флюоресценции хлорофилла благодаря наблюдениям в экваториальной зоне Тихого океана [77]. Взвесь определялась в пробах воды кондуктометрическим счетчиком частиц. Профили взвеси и интенсивности свечения хлорофилла оказались весьма сходными по форме на ст. 1454 (97° з. д.) и на ст. 1456 (122° з.д.), но кратность изменения взвеси по вертикали была меньше, нежели флюоресценции. По профилям были рассчитаны коэффициенты корреляции между вертикальным ходом флюоресценции хлорофилла и содержанием взвеси. Наряду с суммарной концентрацией в расчетах использовались оценки «мелкой» взвеси (фракция 2–4 мкм) и «крупной» (5–20 мкм). «Крупная» взвесь на обеих станциях была связана с флюоресценцией довольно тесно и одинаково, тогда как мелкая– теснее на ст. 1456, чем на ст. 1454. Последнее можно объяснить увеличением доли мелких клеток водорослей из-за ослабления подъема вод на экваторе с переходом с востока на запад. По данным геологических определений концентрации частиц в пробах воды с помощью микроскопа и параллельных измерений флюоресценции хлорофилла в северной части Индийского океана (61й рейс НИС «Витязь») рассчитывалась корреляция свечения хлорофилла с суммарной численной концентрацией взвеси и с концентрацией ее фракции крупностью 10–25 мкм на глубине 10 м, в слое с максимумом флюоресценции и в слое 100–200 м (объемы выборок 36, 34 и 31 соответственно). Суммарная концентрация взвеси, в которой численно преобладают частицы, меньшие самых малых форм фитопланктона, нигде не коррелировала с флюоресценцией хлорофилла. Не была обнаружена ее связь с фракцией 10–25 мкм на 10 м и в слое 100–200 м. Однако в слое с максимумом флюоресценции хлорофилла коэффициент ее корреляции с той же фракцией достиг + 0,5 при доверительном интервале от 0,2 до 0,7, свидетельствуя о положительной связи средней силы между ними. Крупность частиц этой фракции близка к средним размерам живого фитопланктона в океане, так что этот результат объясним тем, что в слоях или в зонах с повышенным содержанием фитопланктона (и с более яркой его флюоресценцией) генетическая зависимость концентрации взвеси от фитопланктона становится заметнее и проявляется в совместной изменчивости свойств различных фракций взвешенных частиц биологического происхождения. Там, где подобные частицы преобладают, возможна связь между флюоресценцией хлорофилла и первичными гидрооптическими 128 характеристиками, так как окрашенные и светорассеивающие примеси, ответственные за изменчивость последних, попадают в воду при разложении биогенной взвеси или вследствие жизнедеятельности морских растений и животных. Во время 61-го рейса НИС «Витязь» выполнялись параллельные определения флюоресценции хлорофилла зондом ИПФ-70 и показателя рассеяния спектрогидронефелометром СГН-57 в 34 пробах воды из слоя 0– 100 м. Оценка коэффициента корреляции показателя рассеяния с интенсивностью флюоресценции хлорофилла, найденная по этим определениям, свидетельствовала о существовании связи средней силы между указанными характеристиками. На станциях 20-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев» вдоль 7°, 9° и 15° ю.ш. в перуанском прибрежном районе наряду с показателем ослабления света при 473 нм в пробах воды (прибор СГН-57) были зарегистрированы профили флюоресценции хлорофилла и РОВ и рассеяния света под углом 90° посредством зонда ИПФ-70. Эти наблюдения позволили оценить корреляцию флюоресценции и рассеяния с показателем ослабления в водах с низкой прозрачностью, обусловленной обилием биогенного материала. В большинстве выборок данных флюоресценция хлорофилла варьировала сильнее, а флюоресценция РОВ – слабее других характеристик. Флюоресценция хлорофилла всюду была связана с показателем ослабления стохастической зависимостью большой и средней силы. Рассеяние под 90° коррелировало с ослаблением лучше, а с РОВ – хуже по сравнению с флюоресценцией хлорофилла. Расчеты коэффициентов корреляции между флюоресценциями РОВ и хлорофилла в тех же слоях дали оценки, не имевшие значимых отличий от нуля. Корреляция интенсивностей свечения хлорофилла и РОВ изучалась на материалах 22-го рейса НИС «Академик Курчатов» и 61-го рейса НИС «Витязь» в Индийском океане, где вертикальные профили обеих величин регистрировались зондом ИПФ-70 в смежные моменты времени на большом числе станций в разнообразных океанологических ситуациях. По этим материалам был рассчитан вертикальный ход коэффициента корреляции между интенсивностями обеих флюоресценций. Он представлен на рис. 4.19 и свидетельствует о том, что между 0 и 20–30 м горизонтальные вариации свечения частиц и РОВ были сравнительно слабо связаны между собой, в слое 30–50 м они варьировали сходным образом, а ниже 50 м вновь не коррелировали друг с другом. Отсутствие корреляции в поверхностном слое могло быть вызвано суточным ритмом свечения хлорофилла. Для проверки такой возможности по материалам 22-го рейса был рассчитан «ночной» вертикальный ход коэффициента корреляции. Он повторил график по полной выборке вплоть до 65 м (рис. 4.19). Следовательно, в поверхностном слое Индийского океана флюоресценция хлорофилла слабо коррелировала со свечением РОВ скорее из-за отсутствия связи между концентрациями соответствующих веществ, чем из-за 9 Заказ № 698 129 влияния внешних условий на физические характеристики флюоресценции хлорофилла. Подобие формы профилей коэффициента корреляции на рис. 4.19 указывает на то, что основные черты соотношения обеих флюоресценций в Индийском океане обусловлены постоянно действующими факторами пространственной изменчивости хлорофилла и флюоресцирующих РОВ. Рис. 4.19. Профили коэффициентов корреляции r между горизонтальными вариациями флюоресценции хлорофилла и РОВ в деятельном слое Индийского океана. Рассчитаны по данным измерений зондом ИПФ-70 на 45 станциях 22го рейса НИС «Академик Курчатов» (1) и 49 станциях 61-го рейса НИС «Витязь» (2). Крестики – оценки r по «ночным» выборкам данных (18 станций 22-го рейса, выполненных с 20 до 04 ч по местному времени). Таким фактором могло быть, например, наличие зон подъема вод на акваториях, обследованных в ходе 22-го рейса (см. рис. 3.3). В этих зонах концентрация фитопланктона особенно велика на горизонтах, куда поднимаются глубинные воды, богатые биогенными элементами и флюоресцирующими РОВ. Последние, как видно по рис. 3.3, поднимались не выше 20–30 м, чем и было вызвано отсутствие корреляции обеих флюоресценции в подповерхностном слое. В целом, флюоресценция хлорофилла оказалась теснее всего связана с теми гидрооптическими характеристиками, которые непосредственно зависят от концентрации взвешенных частиц, и связь флюоресценции хлорофилла с этими характеристиками усиливалась с ростом биологической продуктивности вод. 4.8. Зависимость интенсивности флюоресценции хлорофилла от его концентрации и содержания фитопланктона в море Вопрос о характере и постоянстве концентрационной зависимости флюоресценции хлорофилла принципиально важен, так как ответ на него во многом определяет физический смысл и область 130 практического применения результатов измерения ее интенсивности в натуральной морской воде. Уже после первых измерений флюоресценции в натуральной морской воде [127] были проделаны опыты, показавшие, что, хотя, пропорциональность интенсивности свечения содержанию хлорофилла соблюдается в каждой из таксономических групп водорослей, коэффициенты пропорциональности способны меняться до 5 крат с переходом от одной группы водорослей к другой из-за различий их пигментных систем. Вместе с тем особенности распределения флюоресценции хлорофилла в океане (роль одномодальных распределений, связь максимумов вертикального хода с положением пикноклина и др.) и ее корреляция с величинами, зависящими от количества биогенных частиц, говорят о том, что концентрационная зависимость играет далеко не последнюю роль в изменчивости флюоресценции хлорофилла в Мировом океане. Выявить эту зависимость теоретически или посредством опытов с культурами не представляется возможным из-за недостаточного знания роли внешних и внутренних условий в процессах поглощения и испускания света реальными популяциями фитопланктона в океане. Чтобы найти ее, приходится обращаться к анализу совместных определений концентрации хлорофилла и его флюоресценции в натуральной морской воде, сознавая, что имеющиеся средства оценки концентрации пигментов не вполне адекватны такой задаче. Различные варианты так называемых стандартных методов флюориметрического и спектрофотометрического определения хлорофилла в пробах воды дают его содержание во всех взвешенных частицах, среди которых численно преобладает мертвая взвесь. Имеется ряд доводов в пользу того, что гораздо целесообразнее сравнивать флюоресценцию хлорофилла с его содержанием в живых клетках (см. раздел 4.9). При определении хлорофилла и других фотосинтетических пигментов речь идет об измерении концентрации светочувствительного материала. Между тем по крайней мере два этапа определения пигментов согласно любой из применяемых методик – извлечение пробы воды из океана и осаждение взвеси путем фильтрации – сопряжены с резким, не поддающимся стандартизации изменением светового режима объекта измерений по сравнению с условиями его пребывания в море. Эти изменения длятся до нескольких десятков минут, достаточных для перестройки пигментной системы живых водорослей под влиянием изменений освещенности. Наконец, в живых растениях имеется несколько разновидностей одних и тех же фотосинтетических пигментов (в том числе главного из них – хлорофилла «а»), которые связаны с различными веществами клетки и играют различную роль в поглощении и диссипации лучистой энергии [80]. Поэтому для выявления природы концентрационной зависимости флюоресценции хлорофилла важно знать не только содержание хлорофиллов, каротиноидов и прочих пигментов, но и их разновидностей. Однако чаще всего определяется только хлорофилл «а», 9* 131 и не удается сопоставить флюоресценцию с концентрациями других пигментов на материалах натурных наблюдений, сравнимых по объему с определениями хлорофилла «а». Одно из главных препятствий для выявления концентрационной зависимости флюоресценции хлорофилла – трудность получения большого однородного массива данных об изменениях концентрации пигментов и их флюоресценции в разнообразных океанологических ситуациях. Подобный массив можно собрать лишь во многих экспедициях в различных регионах Мирового океана, где необходимые измерения ведутся с одинаковыми систематическими и случайными погрешностями. Такое требование до сих пор практически невыполнимо. Определения пигментов осуществляются разными способами, чаще всего без проверки их фактических погрешностей, формирующихся в реальной экспедиционной обстановке. Флюоресценция хлорофилла измеряется лабораторными или погружаемыми приборами, значительно отличающимися устройством и способом применения и не охваченными общепринятой системой метрологического обеспечения. В силу этих обстоятельств исчерпывающее исследование концентрационной зависимости флюоресценции хлорофилла в натуральной морской воде пока нереально, и результаты наблюдений способны дать лишь первоначальную информацию о существовании такой зависимости, ее стабильности и близости к линейной форме. В настоящее время выполняются два рода наблюдений, которые могут служить источником сведений о концентрационной зависимости флюоресценции хлорофилла. Первый состоит в том, что связь интенсивности свечения хлорофилла с его концентрацией в морской воде определяют при калибровке флюориметров в процессе изучения распределений фитопланктона флюориметрическим методом. В случае проточных флюориметров хлорофилл может быть определен в точно тех же объемах воды, от которых получают сигнал флюоресценции. Этот прием был использован уже в пионерской работе Лоренцена [127], который калибровал проточный флюориметр по данным стандартных определений хлорофилла в воде, прошедшей сквозь кювету прибора. На трассе протяженностью до нескольких сот километров он получил оценки коэффициентов корреляции флюоресценции и содержания хлорофилла 0,96 (акватория к западу от Калифорнии, поверхностный слой). Во время натурных экспериментов на шельфе п-ова Новая Шотландия по 72 определениям в пробах из толщи от 2 до 18 м Денман и Херман нашли коэффициент корреляции 0,945, причем на отдельных галсах он достигал 0,988, и соотношение между хлорофиллом и его флюоресценцией не менялось с глубиной [95]. Для калибровки зондафлюориметра в центральной Балтике на полигоне 20×25 миль было взято более 70 проб воды от 0 до 32 м и по ним найден коэффициент корреляции 0,96 [115]. 132 Исследуя распределение фитопланктона в заливе Наррагансет, Фармер с соавторами [100] калибровали лидар, размещенный на вертолете, путем сравнения определений хлорофилла с отсчетами прибора в режиме «зависания» над участком залива, где брались пробы воды на хлорофилл. Коэффициент корреляции между флюоресценцией и содержанием хлорофилла «а», рассчитанный по данным со всей обследованной акватории, составил 0,93. Те же оценки на акваториях меньшей площади повышались до 0,98. Демидов с соавторами [10] возбуждали флюоресценцию в пробах воды излучением лазера на длине волны 532 нм (в полосе каротиноидов) и получили оценки корреляции, близкие к 0,9. В работе [70] утверждается, что возбуждение флюоресценции хлорофилла в полосах поглощения дополнительных пигментов повышает корреляцию, так как в этом случае продукты разложения хлорофилла не могут давать вклад в свечение живых водорослей. Эти и другие определения коэффициентов корреляции, полученные при калибровке аппаратуры, свидетельствуют о том, что почти строго линейная зависимость между флюоресценцией и содержанием хлорофилла реализуется в весьма различных районах Мирового океана. Необходимо, однако, учитывать, что при таком подходе искомые оценки связей могут быть искажены субъективными факторами. Флюориметрическое исследование распределений хлорофилла или фитопланктона чаще всего проводится на ограниченных акваториях, где трудно получить оценки связей, отвечающие широкому спектру океанологических условий. Следует также опасаться «естественного отбора» в пользу корреляции, близкой к +1,0, так как в случае недостаточно сильной связи флюоресценции со стандартными определениями хлорофилла материалы флюориметрических наблюдений не могут быть использованы для исследования его распределений, и данные таких наблюдений, включая оценки коэффициентов корреляции, едва ли будут опубликованы. По-видимому, впервые связь флюоресценции с содержанием пигментов на значительных акваториях с малой и умеренной биологической продуктивностью изучалась в 10-м рейсе НИС «Дмитрий Менделеев» летом и осенью 1973 г. в Индийском океане [23]. Наряду с измерениями профилей флюоресценции на станциях этого рейса было взято большое число проб воды и в них спектрофотометрическим методом определены концентрации хлорофиллов «а», «b» и «с» и феофитина «а». Сравнение профилей флюоресценции и содержания пигментов показало, что соотношение между ними варьировало по маршруту рейса от почти идеального совпадения относительных изменений по вертикали до существенных различий формы профилей. В табл. 4.6 приведены оценки характеристик горизонтального распределения пигментов и флюоресценции, а также коэффициентов корреляции между ними, рассчитанные для нескольких горизонтов в пределах фотического слоя. Значимая положительная связь большой силы 133 действовала между суммой хлорофиллов и флюоресценцией от поверхности до 50 м. Несколько слабее флюоресценция была связана с каждым из хлорофиллов «а» и «с». Трудно уловить закономерность в вертикальном ходе корреляции флюоресценция – феофитин, но ее сила всюду уступала силе связи интенсивности свечения с концентрациями хлорофиллов. На глубине 75 м, где «в среднем» залегал максимум пигментов, хлорофиллы «а» и «с» коррелировали между собой хуже, чем на выше- и нижележащих горизонтах. Наблюдения, аналогичные описанным по набору определявшихся характеристик, аппаратуре, методике и исполнителям, были выполнены в 61-м рейсе НИС «Витязь» в северной части Индийского океана весной 1977 г. Оценки изменчивости и корреляции флюоресценции и пигментов приведены в табл. 4.7 и свидетельствуют о существенном ослаблении корреляционной зависимости между ними и об изменении условий наблюдений по сравнению с условиями 10-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев». Повышенная изменчивость всех величин и слабая корреляция хлорофиллов «а» и «с» указывали на большее разнообразие океанологических ситуаций и (или) меньшую точность наблюдений в 61-м рейсе «Витязя». Данные ст. 7618 на 0 и 10 м резко отличались от остальных членов выборок и, согласно R-критерию [3], делали их «анормальными». После повторения расчетов без данных ст. 7618 на 0 и 10 м оценки средних, изменчивости и корреляции пигментов остались прежними, но относительная изменчивость флюоресценции уменьшалась, а ее связь с пигментами сделалась более тесной (табл. 4.7). Она стала еще теснее для «ночных» выборок, составленных из данных 12 станций по маршруту рейса, выполненных с 16 до 08 ч по местному времени (табл. 4.7). Чтобы проверить влияние факторов, дестабилизирующих концентрационную зависимость флюоресценции (случайные погрешности и разнообразие океанологических ситуаций), были использованы данные, полученные на ограниченной акватории за сравнительно короткий отрезок времени. Чтобы исключить предвзятость при отборе таких данных, формировались выборки результатов измерений на этапе от Аденского залива до Красного моря на станциях и горизонтах с определениями концентрации фитопланктона. Объем выборок совместных определений флюоресценции, пигментов и фитопланктона оказался удовлетворительным для слоев 0–10, 20–50 и 60–100 м. Соответствующие оценки приведены в табл. 4.8 и отличались от оценок в табл. 4.7. В слое 20–50 м флюоресценция коррелировала с фитопланктоном и пигментами, но не с феофитином. В подповерхностном слое интенсивность свечения теснее всего была связана с концентрацией хлорофилла «с» и фитопланктоном, а в глубинном – с хлорофиллом «а» и суммой хлорофиллов. Средние концентрации хлорофилла «а» в табл. 4.7 и 4.8 меньше 0,2 мг/м3. Такие концентрации хлорофилла «а» свойственны малопродуктивным водам [60], где точность его определения 134 Таблица 4.8 Средние значения (М) и коэффициенты вариации (Сv %) флюоресценции хлорофилла (Ф усл. ед.), концентрации пигментов [(мг/м3)×1000] и фитопланктона (С тыс. кл/л) и коэффициенты корреляции (r ×100) между ними, рассчитанные для глубин 0–10, 20–50 и 60–100 м по выборкам данных на ст. 7618–7630 61-го рейса НИС «Витязь> ухудшается до 50 % [48]. Оценки средних концентраций в табл. 4.7 и 4.8 должны быть в меньшей степени подвержены влиянию случайных погрешностей благодаря их взаимной компенсации при осреднении. Тогда корреляция средних из этих таблиц может быть выше, чем между членами исходных выборок. Действительно, оценки корреляции средних интенсивностей флюоресценции со средними содержаниями хлорофилла «а» и «с» в указанных таблицах легли в интервал от 0,75 до 0,98. В 17-м рейсе НИС «Академик Курчатов» (зима 1974 г.) были получены материалы, пригодные для выявления связей свечения с концентрацией хлорофилла в водах с более высокой биологической продуктивностью экваториальной зоны и перуанского прибрежного района Тихого океана. Из этих материалов были сформированы выборки данных для слоев с уровнем ФАР 20%–100%, 1%–20% и <1% от уровня ФАР на поверхности океана. Оценки корреляции по этим выборкам, а также по измерениям в ночное время приведены в табл. 4.9. Поскольку часть измерений делалась в малопродуктивных водах, на оценках могли сказаться случайные погрешности определения пигментов. В районах с высокой биологической продуктивностью вертикальные градиенты содержания и флюоресценции хлорофилла сравнительно велики, и потому здесь опасна несинхронность зондирований и отбора 137 Таблица 4.9 Средние значения (М) и коэффициенты вариации (Сv %) флюоресценции (Ф усл. ед.) и концентрации хлорофилла «а» [(мг/м3)×1000] и коэффициенты корреляции между ними (r×100), рассчитанные для слоев с 20%–100% (I), 1%–20% (II) и <1 % ФАР (III) по данным 17-го рейса НИС «Академик Курчатов». P – объем выборки. Хлорофилл «а» Ф I (Р=45) II (Р = 40) III (P=24) M M Cv M Cv M Cv 96 125 49 77 134 140 46 266 112 122 Cv 52 202 175 135 r 55 282 63 72 Ночь (Р=36) 91 59 Без хлорофилла «а» <0,2 и >1,0 мг/м3 Р–24 Хлорофилл «а» Ф r 39 249 66 122 80 Р–25 35 185 54 129 86 Р=16 37 56 56 87 59 Р=19 46 323 63 120 74 проб как причина ошибок при изучении связей между свечением и концентрацией хлорофилла. Чтобы уменьшить влияние случайных погрешностей и несинхронности, из исходных выборок были изъяты пары данных с содержанием хлорофилла меньше 0,2 и больше 1,0 мг/м3 и вновь рассчитана корреляция флюоресценции с хлорофиллом «а». Эти оценки также представлены в табл. 4.9 и, за исключением слоя с ФАР менее 1 %, оказались выше оценок по полным выборкам данных. Сведения о корреляции флюоресценции с хлорофиллом в водах с предельно высокой биологической продуктивностью удалось получить в 20-м рейсе НИС «Дмитрий Менделеев» в перуанском прибрежном районе на станциях разрезов по 7° и 9° ю.ш. протяженностью до 150 миль (зима 1978 г.). Хлорофилл «а» и феофитин определялись участником экспедиции из США флюориметрическим методом в консервированных пробах воды через несколько месяцев после их взятия. Из-за трудностей разделения водной толщи на слои с однородными условиями обитания фитопланктона расчеты выполнялись по всему массиву данных и по каждому разрезу. Их результаты (табл. 4.10) показали, что выборки разрезов резко отличались по средним значениям и относительной изменчивости флюоресценции и концентрации хлорофилла. Согласно оценкам асимметрии и эксцесса их распределения по 7° ю.ш. могли отличаться от нормального, и тогда корреляция флюоресценции с хлорофиллом, близкая к +1,0, не может служить характеристикой 138 Таблица 4.10 Средние значения (М) и коэффициенты вариации (Сv%) флюоресценции хлорофилла (Ф усл. ед.) и содержания хлорофилла «а» и феофитина «а» [(мг/м3)×1000] и коэффициенты корреляции между ними (r×100), рассчитанные по всему массиву данных и раздельно по данным разрезов по 7° и 9° ю.ш. в 20-м рейсе НИС «Дмитрий Менделеев» в перуанском прибрежном районе. Р=110 Хлорофилл «а» Феофитин «а» Ф r(Ф–хл. «а») r(Ф–феоф. «а») r(хл. «а»–феоф. «а») M Сv 151 42 259 164 105 132 72 67 73 Р=43 (7°) Р=40 (7°) Р=58 (9°) M M Сv M Сv 16 10 64 93 75 88 243 57 376 126 81 107 Сv 34 205 12 101 117 175 98 83 83 70 33 37 67 68 74 тесноты связи между ними. Этот недостаток выборок по 7° ю.ш. был устранен, когда на основании R-критерия [3] из них были изъяты данные с горизонтов 0, 7 и 18 м на ст. 1630. В усеченной выборке оценки r приблизились к значениям, найденным по всему массиву данных и на 9° ю.ш., и лучше выявилось различие корреляции флюоресценции с феофитином. Она, как и в иных случаях, была слабее или не превышала корреляцию флюоресценции с хлорофиллом. Во время 7-го рейса НИС «Шельф» (сентябрь 1983 г.) на суточной якорной станции в западной части Балтийского моря наблюдения зондом ИПФ-70 велись одновременно с отбором проб воды на хлорофилл, который выполнялся коллегами из Института мореведения ГДР с борта заякоренного поблизости судна «Профессор Альбрехт Пенк». Они определяли хлорофилл «а» и феофитин двумя методами. Связь флюоресценции с результатами определения хлорофилла «а» обоими методами оказалась весьма тесной (коэффициент корреляции 0,95), но с феофитином она не была связана. Эрблан и Вуатюрье [108] подробно обследовали распределение температуры, концентрации нитратов и хлорофилла вместе с флюоресценцией на нескольких десятках станций вдоль разреза от п. Абиджан до о. Св. Елены между 4° с. ш. и 15° ю.ш. (июль–август 1975 г.). Профили температуры определялись цифровым зондом, снабженным кассетой с батометрами, которыми брались пробы воды для определения нитратов, хлорофилла и его флюоресценции на борту судна. Всего было взято более 500 проб с глубин 0–150 м. По особенностям распределения температуры и нитратов авторы выделили пять зон. В четырех из них флюоресценция была пропорциональна концентрации хлорофилла (коэффициент корреляции от 0,79 до 0,95), однако наклон линии регрессии менялся до 2 крат с переходом от 139 одной зоны к другой. Зона, где флюоресценция не коррелировала с хлорофиллом, охватывала южную часть экваториальной дивергенции. Для первой и четвертой зон, где глубина термоклина менялась от 20 до 80 м, были рассчитаны параметры линейной регрессии хлорофилла на флюоресценцию для каждой станции и обнаружена обратная зависимость наклона линий регрессии от глубины термоклина. Авторы полагают, что эта зависимость объясняется влиянием плотности лучистой энергии в океане на соотношение между флюоресценцией и фотосинтезом. При эмпирическом изучении связей между флюоресценцией и содержанием хлорофилла в океане действуют несколько факторов, снижающих достоверность результатов. Если интенсивность свечения регистрируется зондом, то случайные погрешности определения концентрации пигментов выступают вероятной причиной заниженных оценок корреляции, особенно в малопродуктивных водах [48]. К тем же последствиям должна приводить несинхронность зондирований и отбора проб, если положение слоев с разным содержанием планктона заметно меняется за время, меньшее интервала между взятием проб и зондированием. В малопродуктивных водах со сравнительно слабой вертикальной стратификацией этот фактор, видимо, не очень важен. На ст. 765 10-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев», где суточный ход свечения и концентрации пигментов изучался на борту судна в одних и тех же пробах воды, оценки корреляции оказались неотличимыми от оценок в табл. 4.6. Несинхронность зондирований явно вредила в высокопродуктивном перуанском прибрежном районе, где резкие вертикальные изменения океанологических характеристик наблюдались в слоях толщиной всего несколько метров. На ряде станций, например, положение границ между слоями с разной интенсивностью свечения и содержанием пигментов, определяемых по однократным несинхронным наблюдениям обеих величин, было различным, но результаты НМЗ посредством зонда-флюориметра свидетельствовали о том, что несовпадение границ имело причиной внутренние волны, а не было следствием действительного взаимного смещения неоднородностей вертикального распределения пигментов и флюоресценции. Неверные оценки взаимозависимостей могут явиться следствием отступления свойств выборок данных от требований, без соблюдения которых оценки коэффициентов корреляции теряют смысл характеристик тесноты связи между коррелируемыми величинами [3]. В отличие от случайных погрешностей, свойства исходных выборок (например их совместная «нормальность») влияют на оценки корреляции в обе стороны. К сожалению не все опубликованные оценки корреляции флюоресценции хлорофилла с его содержанием имеют сведения о свойствах выборок или прямые доказательства их соответствия указанным требованиям. Учитывая накопленные данные о результатах статистической обработки совместных наблюдений флюоресценции и пигментов 140 фитопланктона, а также соображения о достоверности и точности оценок корреляции, можно сделать следующие выводы: 1) на акваториях океана с однородными океанологическими условиями в верхней и средней части фотической зоны между флюоресценцией хлорофилла, измеряемой непосредственно в море, и результатами определения хлорофилла в пробах воды действует, как правило, линейная положительная корреляционная зависимость большой силы в зонах с малой, средней и максимальной биологической продуктивностью; 2) среди таких характеристик содержания пигментов, как концентрации хлорофилла «а» и «с», феофитина «а» и суммы хлорофиллов «а», «b» и «с», теснее всего связана с флюоресценцией хлорофилла последняя, а слабее или вовсе не связана – концентрация феофитина «а». Это обстоятельство (с учетом корреляции феофитина с хлорофиллом в изученных выборках данных) служит доводом в пользу того, что концентрация феофитина не влияет на регистрируемую флюоресценцию хлорофилла, а наблюдаемая иногда корреляция между флюоресценцией и феофитином обусловлена генетической связью последнего с хлорофиллом, от которого зависит и интенсивность флюоресценции; 3) в качестве наиболее достоверной оценки тесноты связи флюоресценции с концентрацией хлорофилла разумно принять значения коэффициентов корреляции 0,7–0,9. Иногда они зависят от соотношения концентраций разных хлорофиллов; 4) отличия оценок коэффициентов корреляции от 1,0 невозможно приписать только погрешностям измерений, сбора и обработки проб воды, и потому следует признать, что по крайней мере отчасти они обусловлены влиянием факторов среды и со става фитопланктона на концентрационную зависимость флюоресценции хлорофилла. 4.9. Флюоресценция хлорофилла как свойство живых частиц, взвешенных в морской воде Уже в первых публикациях об измерениях флюоресценции хлорофилла в натуральной морской воде подразумевалось как само собой разумеющееся, что свечение хлорофилла является свойством водорослей [127 и др.]. Вообще говоря, такое утверждение нуждается в обосновании, так как хлорофилл присутствует не только в них, но и в детрите, а весовая концентрация последнего, как правило, превосходит содержание живого фитопланктона в морской воде [135]. В настоящее время накоплены сведения, позволяющие уточнить представления о природе хлорофилла, флюоресцирующего в море. Еще в 50-х годах С. В. Горюнова обследовала методом флюоресцентной микроскопии образцы донных отложений и частиц взвеси, извлеченных из морской воды. Она показала, что яркокрасной флюоресценцией в фиолетовых и ультрафиолетовых лучах обладают одноклеточные водоросли разных таксономических 141 групп, обитающие в океане и пресных водоемах, и что по мере естественного отмирания водорослей свечение тускнеет и меняет свой цвет так, как если бы его спектр смещался в коротковолновую область [8]. По нашим наблюдениям, выполненным посредством микроспектрофлюориметра с лазерным возбуждением в культуре Cheathoceros и пробах воды из пресного водоема, бесформенные частицы (в том числе – содержавшие пигменты) не обладали заметной флюоресценцией. Напротив, неповрежденные клетки диатомовых, жгутиковых и других водорослей испускали яркую красную флюоресценцию, цвет которой и соотношение интенсивностей при 662, 682 и 702 нм практически не менялись с переходом от одних водорослей к другим (при меньших длинах волн свечение отсутствовало). У производных хлорофилла, образующихся при переваривании водорослей зоопланктерами и, возможно, входящих в состав детрита, максимум свечения приходится на 616 нм [4], что также согласуется с представлением о коротковолновом смещении полосы свечения пигментов в отмерших частицах по сравнению с живыми. Йенч [15] сравнил вертикальный ход свечения хлорофилла в море со свечением хлорофилла, экстрагированного из взвеси неполярным растворителем, и с флюоресценцией продуктов деградации хлорофилла (феофорбид и хлорофиллид), экстрагированных полярным растворителем. Выяснилось, что вертикальный ход флюоресценции хлорофилла в натуральной морской воде имел больше сходства с распределением свечения экстракта в неполярном растворителе по сравнению с полярным. Скорее всего, продукты деградации хлорофилла не способны флюоресцировать в естественных условиях столь же ярко, как собственно хлорофилл. Среди особенностей поведения флюоресценции хлорофилла в море можно назвать по меньшей мере три эффекта, которые трудно приписать «мертвому» веществу. Прежде всего назовем зависимость флюоресценции хлорофилла от светового режима моря, которая приводит к суточному ритму и проявляется в различных регионах и слоях океана, причем на нижней границе фотического слоя эта зависимость усиливается [153]. Она не поддается истолкованию, если свечение хлорофилла или иных пигментов относить к «мертвым» частицам. Второй эффект – существование максимумов вертикального распределения флюоресценции хлорофилла в квазиоднородных по плотности толщах (см. раздел 4.3) с условиями, благоприятными для вертикального турбулентного перемешивания. Наличие максимума вертикального хода флюоресценции свидетельствует о способности носителей флюоресценции противодействовать перемешиванию. Для частиц растительного происхождения единственный способ противодействия состоит в размножении со скоростью, превышающей скорость турбулентного перемешивания. В 24-м рейсе НИС «Дмитрий Менделеев» в Тихом океане велись измерения флюоресценции хлорофилла зондом ИПФ70, скорости течений вертушками БПВ-2, профиля температуры зондирующим термометром и пульсаций скорости 142 свободнопадающим зондом «Баклан». Они впервые подтвердили возможность существования неоднородности вертикального распределения флюоресценции хлорофилла в условиях заметного вертикального перемешивания. Примером тому служат данные на рис. 4.20. Согласно этим данным в точке наблюдений существовал верхний квазиизотермический слой от 0 до 90–100 м, в котором на глубине 40–50 м залегал максимум флюоресценции хлорофилла. Слой от поверхности до 50–55 м был охвачен пульсациями вертикальной составляющей скорости течения, и максимум флюоресценции хлорофилла существовал в этой толще, несмотря на интенсивное турбулентное перемешивание. Наконец, третий эффект состоит в том, что тонкие максимумы флюоресценции хлорофилла с временем жизни несколько часов способны формироваться независимо от образования тонкой структуры вертикальных распределений гидрофизических характеристик (см. раздел 4.4). Таким образом, прямые определения флюоресцирующих частиц под микроскопом, опыты с фотосинтетическими пигментами, извлеченными из морского фитопланктона, оценки связей флюоресценции хлорофилла с различными океанологическими характерис- Рис. 4.20. Вертикальные распределения океанологических характеристик на экваторе в Тихом океане на 163° з. д. (ст. 2012 24-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев», 19 марта 1980 г.). 1 – интенсивность флюоресценции хлорофилла Фхл; 2 – температура воды Т °С; 3 – зональная составляющая скорости течения U см/с; 4 – толщина слоя с пульсациями скорости течения согласно показаниям свободнопадающего зонда «Баклан». Все характеристики измерены между 22 ч 30 мин и 23 ч 30 мин по местному времени. тиками и с его содержанием в море, а также ряд особенностей пространственно-временной изменчивости флюоресценции подтверждают представление о том, что хлорофилл, флюоресцирующий в дальней красной области спектра, находится преимущественно в живых клетках фитопланктона, парящего в водной среде. Однако пока нет сведений, которые позволили бы количественно оценить ту возможную добавку к их свечению, которую могут дать пигменты и продукты их деградации в «мертвой» взвеси. 143 Глава 5. ФЛЮОРЕСЦЕНЦИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ Часть веществ, попадающих в океан в результате деятельности человека, обладает собственной флюоресценцией. Одни из них намеренно вводятся в океан и используются как индикаторы движений вод, а другие выступают как загрязнения, океана. К наиболее распространенным загрязнениям относятся нефть и нефтепродукты, сточные воды предприятий, бытовые отходы и т. д. Необходимость контроля за распространением подобных веществ в океане экспрессными и высокочувствительными средствами вызвала предложение использовать в этих целях флюориметрические измерения [92, 120 и др.]. Кроме сведений о наличии вещества в океане, экспрессные флюориметрические оценки его содержания позволяют получать картину распределения и изменчивости субстанций в окрестностях их источников и, следовательно, пригодны для определения эффективности устройств для сброса отходов в море. 5.1. Флюоресценция нефти и нефтепродуктов Флюоресценция нефти и продуктов ее переработки известна уже более 100 лет, однако ее практическое использование началось лишь в 30-е годы, когда приступили к разработке методов люминесцентнобитуминологического анализа для нужд нефтеразведки [78]. Интерес к свечению нефти возродился в 70-е годы из-за потребности в экспрессных определениях содержания и состава загрязнений моря нефтью и нефтепродуктами. Основная масса сведений о физических характеристиках их свечения содержится в работах, связанных с развитием указанных направлений. Трудность изучения этих характеристик состоит в том, что сырая нефть и многие ее производные представляют собой чрезвычайно сложную смесь разнообразных органических соединений, обладающую крайне низкой прозрачностью. Из-за этого физические характеристики свечения сырой нефти, регистрируемые в опытах с необработанными препаратами, могут не совпадать с «истинными» характеристиками излучения, которое испускается отдельными центрами свечения в молекулах веществ из состава изучаемого образца. Например, поглощение флюоресценции в толще нефти искажает форму спектральной полосы свечения и ее положение на шкале длин волн («эффект внутреннего фильтра»), из-за высокой концентрации флюоресцирующих молекул возможно концентрационное тушение флюоресценции сырой нефти и т. д. Поэтому в опытах с натуральной нефтью невозможно получить оценки физических характеристик и интенсивности свечения, свободные от влияния условий опытов и аппаратурно-методических факторов (толщина образца, способ его освещения и др.). По-видимому, оценки этих характеристик, 144 близкие к «истинным», удалось получить в опытах с растворами нефтей в нефлюоресцирующих растворителях при разработке методов люминесцентно-битуминологического анализа [78]. В то же время эти оценки не дадут полного ответа на вопрос о флюоресцентных свойствах нефти в океане, так как из-за сложности, разнообразия и недостаточной изученности природы флюоресцирующих соединений нефти пока нет способов определения характеристик свечения нефти в природной среде по характеристикам свечения ее фракций или компонентов. По этим причинам для суждения о флюоресценции нефти в океане приходится использовать результаты обоих направлений. Первое из них дает представление об основных закономерностях свечения нефтей и нефтепродуктов, а второе – о проявлениях этих закономерностей в реальной морской среде. Важнейшими химическими элементами нефтей выступают углерод (83–87%), водород (11–14%), сера (до 5 %), кислород (до 3%) и азот (более 1 %), а в качестве микроэлементов – металлы. Из этих элементов образованы тысячи индивидуальных органических веществ. Установлено, что эти вещества образуют следующие группы соединений: 1) предельные парафиновые углеводороды с общей формулой CnH2n+2; 2) нафтены или предельные алициклические углеводороды с общей формулой CnH2n; 3) ароматические углеводороды – бензол, его гомологи и соединения с конденсированными ядрами; 4) непредельные углеводороды с общей формулой CnH2n; 5) сложные высокомолекулярные углеводороды; 6) кислородные, сернистые и азотистые соединения; 7) смолистые вещества; 8) соли и вода. По своей летучести углеводороды делят на легкие (кипящие до 250°С), тяжелые, или масла, и твердые, или парафины. Смолистые вещества представлены в нефтях нейтральными смолами, асфальтенами и асфальтеновыми кислотами. Нефти на 50–80 % состоят из углеводородов, среди которых легкие составляют от 5 до 60%. Нефть рассматривают как раствор твердых смолистых и парафиновых веществ в углеводородной жидкости. Среди различных групп соединений лучше всего изучены углеводороды легких фракций нефти, однако они способны формироваться в процессе фракционирования, и потому может оказаться, что их свойства, в том числе флюоресценция, не могут быть приписаны сырой нефти. Соотношение между группами соединений и их фракциями существенно варьирует в зависимости от происхождения и «возраста» нефти и способов ее переработки. Было показано, что в нефтях присутствуют нефлюоресцирующие органические соединения, флюоресцирующие в дальней УФ-области спектра, светящиеся в ближней УФ- и коротковолновой видимой областях и, наконец, соединения, флюоресцирующие преимущественно в видимой области. Согласно Флоровской [78], не обладают способностью флюоресцировать все предельные органические соединения, а также ароматические и нафтеновые углеводороды с длинными боковыми цепями или мостами, альдегиды Ю Заказ № 698 145 и кетоны ароматического и нафтенового рядов и другие вещества. В дальней УФ-области флюоресцируют моно- и бициклические (иногда – трициклические) ароматические и нафтеноароматические углеводороды и их производные с короткими боковыми цепями и мостами. В ближней УФ-области спектра флюоресценция свойственна неконденсированным углеводородам типа дифенилметана, дифенилэтилена или стильбена, тетра- и пентациклическим нафтеноароматическим и нафтеновым углеводородам, производным этих и некоторых других углеводородов и нафтеноароматическим углеводородам с длинными парафиновыми и олефиновыми боковыми цепями. Видимое свечение присуще асфальтенам и смолам, выделяемым из нефти бензином и силикагелем, соответственно. Это обширный класс веществ с молекулярной массой от 250 до 1500 и соотношением углерод–водород от 8:1 до 12: 1, обладающих полосами свечения с максимумом от 440 до 580 нм. Если учесть, что в нефтях содержатся порфирины с красной флюоресценцией, то оказывается, что флюоресценция веществ, входящих в состав нефтей, перекрывает всю УФ- и видимую области спектра. Спектральные характеристики свечения различных групп органических соединений нефти явно зависят от их летучести. С повышением температуры кипения фракций меняется форма спектральной полосы свечения и ее максимум смещается в длинноволновую часть шкалы длин волн. Насколько существенны такие вариации, можно судить по рис. 5.1, где приведены спектры свечения некоторых фракций нефти, нормированные по своим максимумам. В соответствии с указанной тенденцией, с переходом от бензинов через керосины и дизельное топливо к тяжелым маслам цвет свечения меняется от фиолетового до желто-зеленого или бурого [78]. По данным рис. 5.1 нетрудно представить, что с увеличением доли тяжелых фракций флюоресценция сырой нефти должна смещаться в Рис. 5.1. Спектры флюоресценции хлороформенных растворов некоторых органических соединений, входящих в состав нефти (нормированных на максимум по [78]). 1 – асфальтены, плотность 0.910; 2 – то же, плотность 0,900; 3 – силикагелевые смолы, плотность 0,867; 4 – то же, плотность 0,878; 5 – то же, плотность 0,871; 6 – масла с плотностью 0,835; 7 – нафтеновые кислоты с плотностью 0,837. 146 «красную», а легких – в «синюю» сторону спектра. Измерения оптических свойств нефти и нефтепродуктов, выполненные в связи с разработкой и апробацией дистанционных методов контроля за санитарным состоянием моря, подтвердили зависимость их спектральных характеристик от группового состава и, следовательно, от происхождения и «возраста». Миллард и Арвезен [130] показали, что спектры возбуждения и флюоресценции образца сырой нефти имели максимум при 380 и 520 нм и были -смещены в длинноволновую область на 90 и 180 нм относительно спектров дизельного топлива, отличаясь от них в 2–3 раза большей полушириной. Межес с соавторами [129] опубликовали «истинные» спектры свечения нефтей из разных месторождений, а также спектры некоторых нефтепродуктов при возбуждении их на длине волны излучения азотного лазера 337 нм. Они приведены на рис. 5.2. У четырех нефтей максимум свечения лежал при длинах волн Рис. 5.2. «Истинные> спектры флюоресценции нефтей и нефтепродуктов. Построено по [129]. 1 и 2 – из месторождений Канады: 3 и 4 – Анголы; 5 – бункерная нефть; 6 – дизельное топливо; 7 – бензин; 8 – мазут. Возбуждение – при 337 нм. от 450 до 500 нм, а у пятой – между 500 и 600 нм. Полуширина полос свечения составляла 150 нм. Стоит отметить существенные различия между обеими группами спектров по форме, ширине и положению их максимумов, а также большую разницу между интенсивностью и спектральными характеристиками свечения нефтей по сравнению с характеристиками продуктов ее переработки. Эти различия подтвердили последующие опыты с нефтями 10* 147 из нескольких зарубежных месторождений [132, 138, 150 и др.]. Абрамов с соавторами [2] зарегистрировали спектры свечения нефти из бакинского и восточносибирского месторождений и четырех сортов дизельного топлива. Объектом измерения служили пленки этих веществ толщиной от 0,3-10-3 до 22-10-2 мм на поверхности дистиллированной воды, свечение возбуждалось второй гармоникой рубинового лазера на длине волны 347 нм. Свечение бакинской нефти охватывало всю видимую область и имело максимумы в фиолетовой и красной областях спектра, тогда как восточносибирская нефть обладала более коротковолновым свечением с единственным максимумом при 380–400 нм. Максимумы свечения дизельных топлив лежали в ближней УФ-области, их интенсивность быстро падала с ростом длины волны. Спектры в работе [2] нормировались не на собственные максимумы, а на интенсивность линии комбинационного рассеяния дистиллированной воды в кювете без пленки. Поэтому по ним невозможно определить характеристики спектрального хода флюоресценции обследованных нефтей и топлива и сопоставить их с результатами других авторов. Используя лазерный спектрофлюорометр (см. раздел 2.4), мы предприняли попытку определить истинный спектральный ход флюоресценции нефти из месторождения Калининградской области и сравнить его со спектральным ходом оптической плотности той же нефти. При возбуждении излучением азотного лазера на длине волны 337 нм полосы свечения нефти и ее раствора в четыреххлористом углероде оказались сходными между собой и простирались от ближней УФ- до красной области спектра, а их размытый максимум лежал при 500 нм (рис. 5.3). По своим характеристикам свечение этой нефти было ближе всего к флюоресценции нефти из провинции Кабинда (Ангола, рис. 5.2), нефти из месторождения в Венесуэле [138] и иранской нефти согласно [150]. Оптическая плотность Калининградской нефти монотонно возрастала с уменьшением длины волны в видимой и УФ-областях спектра и на несколько порядков своего значения превосходила оптическую плотность морской воды. Наряду со спектральными закономерностями изучалась кинетика флюоресценции нефти и нефтепродуктов. Детальное исследование выполнили Межес с соавторами [129]. Они определяли величину τ импульсным методом в предположении об экспоненциальном затухании свечения и обнаружили, что в УФ- и видимой областях у всех образцов нефти излучательное время жизни флюоресценции, возбуждаемой при 337 нм, возрастало с длиной волны свечения. За единственным исключением, тот же эффект наблюдался и у продуктов переработки нефти. У нефтей τ менялось от 1 до 8 нс, у нефтепродуктов – от 3–4 до 35–37 нс. Скорость изменения τ с длиной волны была существенно различной у разных образцов нефти и ее производных. τ сырой нефти в максимуме полосы свечения увеличивалось вместе с плотностью нефти, тогда как в нефтепродуктах действовала обратная зависимость между ними (оценка плотности – в градусах API). У смесей нефтей разной 148 Рис. 5.3. «Истинные» спектры флюоресценции Ф морской воды и некоторых веществ при возбуждении на длине волны 337 нм (нормированы на максимум). 1 – морская вода из Балтийского моря; 2 – сырая нефть при возбуждении по схеме б рис. 2.1; 3 – 0,1 %-ный раствор той же нефти в четыреххлористом углероде при возбуждении по схеме в рис. 2.1); 4 и 5 – основной и побочный сбросы отработанных щелоков целлюлозно-бумажного завода при 10-кратном разбавлении бидистиллированной водой. Полосы флюоресценции нормированы на их интенсивности в максимумах. плотности спектры свечения и излучательного времени жизни получались такими, как если бы они принадлежали образцу с плотностью, равной средневзвешенной плотности исходных нефтей. Авторы воздерживаются от истолкования выявленных ими закономерностей, ограничиваясь предположением об их связи со сложностью состава нефти и нефтепродуктов. Старение сырой нефти в течение 4 сут не привело к изменению формы спектра флюоресценции, но ее интенсивность упала до 70 % от первоначальной и несколько уменьшились оценки τ, а также изменилась форма его спектрального хода. Эти изменения имели направленность, отвечающую обогащению нефтей труднолетучими компонентами в процессе старения [129]. Виссер [150] обратил внимание на то, что именно из-за сложности состава предположение об одноэкспоненциальном законе затухания свечения нефтей является слишком грубым приближением. Используя более совершенную технику измерений и обработки данных, он показал, что для легких сортов нефти и топлив, у которых τ >> 5...10 нc, сумма двух экспонент гораздо точнее апроксимирует затухание их свечения, чем одиночная экспонента. Однако импульсы флюоресценции высококипящих топлив и тяжелых нефтей с малым τ лучше сглаживаются одноэкспонентной кривой. Измерения Виссера подтвердили возможность спектрального хода τ или 149 параметров двуэкспоненциальных кривых затухания, однако его данные недостаточны, чтобы доказать или опровергнуть количественные оценки скорости изменения τ с длиной волны, опубликованные в работе [129]. Наши определения излучательного времени жизни свечения нефти из месторождения Калининградской области, выполнявшиеся тем же способом, что и оценки τ РОВ (см. раздел 3.1), дали величину τ ≈ 6 нc в максимуме полосы флюоресценции и на ее краях. Накопленные сведения приводят к выводу о том, что физические характеристики флюоресценции нефтей и нефтепродуктов решающим образом зависят от соотношения в них легких и тяжелых фракций, варьируют в достаточно широких пределах и могут быть использованы для опознания нефтяных загрязнений в море. 5.2. Флюоресценция промышленных отходов В океан и водоемы суши вместе со сточными водами промышленных предприятий попадают сотни органических соединений. Наибольшую опасность для морской среды представляют отходы промышленных предприятий, размещаемых в береговой зоне, использующих большие объемы воды и сбрасывающих свои стоки в море. К таким предприятиям относятся, в частности, целлюлознобумажные заводы и предприятия по химической переработке древесины. Они особенно многочисленны на берегах морей, омывающих страны Северной Европы, и на тихоокеанском побережье США и Канады. Не удивительно, что флюоресценция сточных вод подобных предприятий исследовалась преимущественно на примере этих регионов. Состав таких вод зависит от принятой технологии, но в любом случае значительную их часть образуют лигнин и его производные, так как удаление лигнина из исходного растительного сырья представляет собой одну из основных целей производственного процесса. Лигнин считают нерегулярно построенным природным полимером с разветвленными макромолекулами. Его молекулярная масса – около 11000. Лигнин имеет в основном ароматическую природу, содержит разнообразные функциональные группы, в том числе с двойными сопряженными связями. Строение лигнина известно недостаточно полно, но установлено, что лигнины разных пород деревьев отличаются своими структурными элементами. В работе [86] приведены неисправленные спектры возбуждения флюоресценции, измеренные Крайстманом и Минером в водных растворах лигносульфонатов (производные лигнина, образующиеся при сульфитной варке целлюлозы). При регистрации флюоресценции на длине волны 400 нм спектр возбуждения в виде размытой полосы имел максимум при 340 нм, полуширину 50–70 нм и дополнительные максимумы при 255 и 293 нм. При возбуждении на длине волны 340 нм полоса флюоресценции обладала единственным максимумом при 400 нм и полушириной 40 – 60 нм. Они отмечают, что у сульфитных щелоков, являющихся отходами разных технологических процессов, 150 положения максимумов сохранялись с точностью до ±3 нм, но при одинаковом содержании сухого остатка интенсивности свечения разных щелоков заметно отличались друг от друга. Интенсивность свечения лигносульфонатов сильно зависела от их молекулярной массы, на которую влияют состав исходного сырья и особенности процессов его переработки. Уилсон (по [86] ) также обнаружил вариации флюоресценции отработанных щелоков, связанные с составом исходного сырья, временем и температурой варки древесной массы. Он опубликовал спектры флюоресценции и возбуждения щелока от переработки древесины тсуги. Первый из них при возбуждении на длине волны 250 нм представлял собой асимметричную полосу с максимумом при 355 нм и полушириной 70–80 нм, а второй – полосу с единственным максимумом при 320 нм (флюоресценция регистрировалась при 400 нм). . Трастон [147] зарегистрировал спектры возбуждения и свечения лигносульфонатов и получил оценки их характеристик, сходные с оценками Крайстмана и Минера. Он исследовал концентрационную зависимость флюоресценции сульфитных щелоков четырех заводов северо-западного побережья США и двух коммерческих препаратов лигносульфонатов аммония (Орзан А) и кальция (Лигносит). Измерения выполнялись с помощью фильтр-флюориметра (возбуждение – при 325 нм, флюоресценция – при 440 нм), мерой концентрации растворов щелоков в воде служило содержание в них сухого остатка. В диапазоне концентраций от 1 до 70– 80 мг/л эта зависимость была линейной у всех образцов, а при увеличении концентрации сухого вещества до 100 мг/л линейность сохранялась только у щелока с лигносульфонатом кальция. Во всем диапазоне изменения концентраций свечение двух щелоков с лигносульфонатами кальция и аммония, полученных с разных заводов одной и той же фирмы, мало отличалось от свечения Орзана А и Лигносита. Остальные щелоки принадлежали другим фирмам. Среди них щелок с сульфонатом магния имел наименьший, а с сульфонатом аммония – наибольший наклон линии регрессии интенсивности флюоресценции на концентрацию сухого вещества в водных растворах щелоков. Баумгартнер с соавторами [86] изучали свечение сточных вод четырех целлюлозных фабрик в штатах Орегон и Калифорния, разбавляя эти воды натуральной морской водой из окрестных акваторий Тихого океана. Они выявили, что в их образцах флюоресценция при 420 нм эффективнее всего возбуждалась в области спектра 210–230 нм и что характеристики и интенсивность полос свечения зависели от длины волны возбуждающего излучения (рис. 5.4.). Авторы обнаружили, что у всех образцов основной максимум свечения лежал при 310 нм и дополнительный – при 450 нм. Интенсивность свечения сильно варьировала с переходом от образца к образцу в дополнительном максимуме и почти не менялась– в основном. Измерения в одном из образцов тотчас после его получения и спустя двое суток показали, что основной 151 Рис. 5.4. Спектральные характеристики флюоресценции образца сточных вод предприятия по переработке древесины (по [86]). 1 – спектр возбуждения флюоресценции, зарегистрированный на 420 нм; 2 – спектр флюоресценции, возбуждаемой на длине волны 224 нм; 3 – то же на 312 нм. Спектральные интервалы возбуждения и флюоресценции – 10 нм. максимум (свечение при 305 нм и возбуждение на 220 нм) связан со стойкими фракциями сточных вод, тогда как дополнительный максимум (свечение при 440 нм, возбуждение на 380 нм) обусловлен их компонентами, заметно изменяющимися в течение десятков часов. Флюоресценция сульфитных щелоков исследовалась сотрудниками Гетеборгского университета [83]. На примере лигносульфонатов натрия, полученных разными способами, они показали, насколько существенно может влиять технология варки древесины и методика выделения производных лигнина из отработанных щелоков на спектры поглощения и флюоресценции последних. Поглощение лигносульфонатов натрия, полученных двумя способами, отличалось в отдельных участках спектра по абсолютному значению, а флюоресценция – и по интенсивности, и по спектральным характеристикам. Чтобы пополнить сведения о характеристиках свечения отходов предприятий по переработке древесины, мы измерили спектры поглощения и флюоресценции и излучательное время жизни сточных вод одного из целлюлозно-бумажных заводов Калининградской области – бесцветного сульфитного щелока (основной сброс) и щелока, окрашенного хлорлигнином. Поглощение измерялось на спектрофотометре СФ-26, а характеристики флюоресценции – теми же приборами, что и свечение РОВ (см. раздел 2.4). Чтобы исключить «эффект внутреннего фильтра», перед измерением характеристик флюоресценции щелоки десятикратно разбавлялись бидистиллированной водой. Как и в работе шведских авторов, поглощение щелоков отличалось по своему абсолютному значению и спектральному ходу и не имело экстремумов в области от 300 до 600 нм. Максимумы полосы флюоресценции, возбуждаемой лазером на длине волны 337 нм, лежали на границе УФ- и видимой областей спектра, причем полоса окрашенного щелока обладала большей полушириной и имела такой вид, как если бы она была композицией двух полос с единственным максимумом каждая (рис. 5.3). Спектральный ход поглощения и флюоресценции свидетельствует о том, что в щелоке с хлорлигнином присутствовали дополнительные окрашенные флюоресцирующие вещества по сравнению с бесцветным сульфитным щелоком. Излучательное время жизни флюоресценции щелоков в максимуме полосы свечения, возбуждаемой при 337 нм, составило около 5 нc . 152 Таким образом, имеющиеся сведения о флюоресценции сточных вод предприятий по переработке древесины согласуется с представлениями о сложности состава этих отходов и существенной роли различных производных лигнина в формировании оптических свойств указанных вод. Все попытки определения спектров возбуждения и поглощения щелоков приводят к выводу о том, что дальняя и средняя УФ-области являются областями спектра, где возбуждение флюоресценции щелоков наиболее эффективно. Вместе с тем положение полос свечения щелоков на шкале длин волн, их форма и интенсивность зависят от спектрального состава возбуждающего излучения, особенностей состава исходного древесного сырья и технологии его переработки. В последнее время источником загрязнения прибрежной зоны океана становятся предприятия по переработке угля, в чьих сточных водах есть полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Капелле и Франке [91] приводят оценки физических характеристик свечения трех образцов необработанных сточных вод подобных предприятий. Отличия характеристик свечения обследованных образцов свидетельствуют об изменении флюоресценции отходов вслед за составом ПАУ и ее зависимости от особенностей технологии переработки угля. 5.3. Свойства флюоресцирующих красителей Флюоресцирующие красители применяются как индикаторы движений вод и позволяют получать количественные оценки закономерностей распространения вещества в океане. Для этого необходимо знать физические характеристики свечения флюоресцирующих индикаторов (ФИ) и его зависимости от условий наблюдений. В качестве индикаторов предпочтительнее вещества, чье свечение возбуждается в ближней УФ- или видимой областях спектра, где максимальна прозрачность морской воды и для которых существуют доступные технические средства – источник возбуждения, фотоприемник, оптические материалы. Имеется много флюоресцирующих соединений с подобным свечением, но для морских экспериментов пригодны лишь те из них, которые отвечают ряду требований. Главными среди них являются следующие: 1) флюоресцирующий краситель должен быть пригодным для введения в толщу моря в виде раствора с плотностью, близкой к плотности морской воды. В противном случае под действием сил плавучести он будет перемещаться не так, как меченная им вода; 2) флюоресцирующий краситель должен быть безвреден для морских растений и животных; 3) краситель должен обладать таким сочетанием физических характеристик свечения, которое обеспечивало бы максимальную пороговую чувствительность его определения в морских 153 водах с разными оптическими свойствами. От выполнения этого требования зависят стоимость морских опытов с индикаторами, возможность постановки длительных наблюдений за мечеными объемами воды и удобство подготовки и проведения экспериментов на исследовательских судах; 4) краситель должен отвечать требованию консервативности, т. е. не разлагаться и не менять своей способности флюоресцировать под действием солнечного излучения, колебаний температуры, содержания кислорода, рН и других факторов; 5) низкая стоимость, доступность и простота в обращении. Едва ли найдется вещество, которое одинаково хорошо отвечало бы перечисленным требованиям. Морские эксперименты с красителями, которые ведутся в разных странах уже более 20 лет, показали, что несколько типов красителей по совокупности своих свойств приближается к подобному идеалу. Чаще всего применялись и лучше всего исследованы как индикаторы уранин (натриевая соль флюоресцеина) и родамин С (зарубежный реактив «Rhodamin В» является аналогом отечественного родамина С). Они являются органическими красителями ксантеновой группы, ярко флюоресцируют в водных растворах и относятся к наиболее доступным и изученным люминисцирующим веществам. Данные о физических характеристиках их свечения неоднократно публиковались, начиная с 900-х годов. Расхождения численных значений характеристик, приводимых в литературных источниках, объясняются различиями методик и несовершенством техники тех лет. Сведения о флюоресценции водных растворов родамина С и уранина встречаются в литературе намного реже сведений об их люминесценции в органических растворителях. Молекулярная масса родамина С равна 446,5, уранина – 370. При комнатной температуре родамин С полностью растворим в воде в пропорциях 1:50, а в уксусной кислоте удается получить его 40 %ный раствор. В 40 %-ной смеси этилового спирта с водой родамин С растворим в соотношении 1:5. Уранин хорошо растворим в чистой воде. О безвредности этих красителей можно судить по использованию раствора уранина для инъекций с целью диагноза нарушений кровообращения у больных и факте пребывания рыб в аквариуме, заполненном раствором родамина с концентрацией 0,1 г/л. Спектры поглощения и флюоресценции родамина С и уранина по своей форме и взаимному положению типичны для органических красителей (рис. 5.5). Для определения их концентрации в толще моря важно поглощение в полосе а' и ее положение относительно спектра флюоресценции. Эти и ряд других сведений разных авторов о характеристиках свечения родамина С и уранина приведены в табл. 5.1. По ним можно сделать выводы об оптимальных условиях регистрации флюоресценции. Благодаря более высокому квантовому выходу растворов уранина последний при прочих равных условиях обнаружим в воде в меньших количествах, чем родамин С. Малая длительность возбужденного состояния молекул 154 Рис. 5.5. Спектральные характеристики уранина (а) и родамина С (б). Сплошная кривая – спектр показателя поглощения и, пунктир – спектр флюоресценции Ф. а’ и а – полосы поглощения, отвечающие переходам из основного в первое и второе возбужденное состояния соответственно. обоих красителей означает, что яркость их свечения пропорциональна мощности возбуждения в широких пределах ее изменения. Бόльшая поглощательная способность уранина в максимуме полосы по сравнению с родамином С позволяет применять более экономичный источник возбуждения для получения заданной яркости флюоресценции уранина по сравнению с родамином. Концентрационное тушение водных растворов обоих красителей изучалось многими авторами и, согласно [62], допустимо принять, что оно влияет на квантовый выход свечения, начиная с концентраТаблица 5.1 Основные характеристики флюоресценции водных растворов родамина С и уранина Родамин С Уранин Источник 480–600 440–600 [63] 550 494 [63] 550–700 510–590 [63] Максимум полосы флюоресценции, нм 605 518 [63] Квантовый выход при комнатной температуре 0,25 0,3 0,71 0,65-0,92 [63] [4] 1×10-9 2,3×10-9 5×10-9 (4,02–5,5) ×10-9 [63] [4] Полоса поглощения а', нм Максимум полосы поглощения а', нм Полоса флюоресценции, нм Время жизни возбужденного состояния, с ций красителей в растворе не менее 10-3 моль/л. Это обстоятельство ограничивает возможности определения родамина и уранина на начальной стадии опытов с их использованием, когда концентрации красителей в море могут быть близкими к содержанию их в исходном растворе и превышать указанный уровень. 155 Имеющиеся в морской воде соли галогенов относятся к наиболее действенным нерезонансным тушителям флюоресценции. Согласно [(63], тушащее действие разных анионов на водные растворы уранина и родамина С убывает в последовательности: J-, CNS-, Вr-, Сl-, С2О42-, С2Н3О2-, SO42-, NO3, F-. К ним относится и кислород, но он не влияет на квантовый выход уранина и родамина С при нормальном давлении [63]. По имеющимся оценкам, тушащее действие самого сильного из анионов начинается при концентрации его в растворе не менее 1×10-3 г/мл. В морской воде концентрация любого из сильных тушителей намного меньше. Видимо, поэтому попытки выявить зависимость свечения красителей от солености морской воды дали отрицательный результат [103]. Температурное тушение уранина и родамина изучали Фойерштейн и Селлек [103]. Они нашли, что его ход определяется выражением F = F0exp(–nT) (5.1) где F0 – отсчет прибора при Т = 0°С и n – константа, специфичная для красителя. Авторы проверили зависимость (5.1) в дистиллированной и морской воде в интервале от 0 до 50°С (хлорность 13,9%о) при концентрации красителей от 1×10-9 до 2×10-8 г/мл и нашли, что n не зависит от концентрации и растворителя и составляет 0,027 и 0,0036°С–1 для родамина и уранина соответственно. Следовательно, температурным тушением уранина в морских опытах можно пренебречь, но оценки концентрации родамина С по его флюоресценции нуждаются в поправках на температуру согласно (5.1). Оценки зависимости свечения уранина и родамина С от рН водного раствора показали [103 и др.], что при возможных значениях рН морской воды от 7,0 до 9,0 концентрация водородных ионов не оказывает существенного влияния на определения обоих красителей в толще моря. В отличие от лабораторных исследований, в море флюориметрическое определение индикаторов ведется в растворе, содержащем частицы взвеси. Если их концентрация велика, возникает возможность адсорбции красителя на взвеси в заметных количествах. Этот процесс вреден по двум причинам: адсорбированный краситель может флюоресцировать не так, как в растворе, и взвесь способна перемещаться не так, как вода, в которой она парит. Адсорбция индикаторов особенно опасна в прибрежных водах и эстуариях, изобилующих взвешенным веществом. По данным Карпентера [92], раствор родамина С с концентрацией 4×10-10 г/мл, содержавший большое количество органогенной взвеси, в течение 4 сут сохранял неизменной свою флюоресценцию. 156 Фойерштайн и Селлек [103] тщательно исследовали адсорбцию родамина С и уранина на взвеси. Процесс описывался соотношением Фройндлиха x/m = kc1/b (5.2) где х – масса красителя, адсорбированная массой адсорбента m при равновесной концентрации с красителя; k и b – константы для данной температуры и системы. Исходным растворителем служили пробы воды разной солености с содержанием взвеси 500 г/м-3 (осадочный материал крупностью до 20 мкм со дна Сан-францисского залива, состоявший из иллитовых, монт-мориллонитовых и каолинитовых минералов с кварцем и хлоритами). Растворы с разным содержанием родамина С выдерживались в термостате до равновесного состояния, и после центрифугирования определялось количество красителя, оставшегося в растворе. Авторы обнаружили, что с изменением хлорности морской воды от 0 до 18% коэффициент k в (5.2) убывал на порядок своего значения. Такая же направленность вариации k была замечена и в эксперименте с адсорбцией родамина С на водорослях. По той же методике и в тех же условиях исследовалась адсорбция уранина, но обнаружить убыль уранина после центрифугирования не удалось. Из-за различий состава частиц, взвешенных в водах разных акваторий, трудно указать, насколько применимы результаты работы [103] к иным районам океана. Если воспользоваться максимальными значениями параметров в (5.2), найденными Фойерштайном и Селлеком, и взять реальные значения количества частиц в тех или иных районах океана, то оказывается, что адсорбция родамина С на морской взвеси способна заметным образом исказить его распределение лишь в весьма мутных и сильно опресненных водах эстуариев. Важной причиной неконсервативности индикаторов может быть их фотораспад. По Карпентеру [92], свечение раствора родамина С в склянке на солнце уменьшается на 40% за 2 мес., тогда как раствор уранина с концентрацией 1×10-6 г/мл распадается полностью за 12 ч. Автор считает, что поправки на фотораспад родамина нужны, если его флюориметрическое определение в море ведется более 2 недель. К аналогичному выводу пришли Иозеф с соавторами в результате опытов с тем же красителем [114]. Фойерштейн и Селлек [103] изучали разложение уранина и родамина С, выставив колбы с их водными растворами разных концентраций на дневной свет на несколько суток. Они убедились в том, что изменение флюоресценции из-за распада красителей не зависит от их концентрации и описывается выражением F = F0exp(–pt), (5.3) где F0 – начальная интенсивность; F – интенсивность по истечении времени t после начала экспозиции и р – скорость фотохимического распада. Если считать F пропорциональной концентрации вещества с, то (5.3) подобно уравнению радиоактивного распада. 157 В отличие от постоянной распада, р зависит от внешних условий, в том числе от плотности излучения. Авторы работы [103] нанаблюдали резкое увеличение р, когда сплошная облачность сменилась безоблачным небом через 30 ч после начала экспозиции. На ярком солнце р составляет 0,26 и 0,022 ч-1, период полураспада 3 и 31 час для уранина и родамина С соответственно. В цитированных работах скорости фотораспада красителей определялись в условиях, неадекватных условиям пребывания их в море. Поэтому желательно оценить хотя бы ориентировочно скорости фотораспада красителей в море при наименее благоприятном световом режиме. Это можно сделать, если воспользоваться оценками р из [103] для безоблачной погоды. Из закономерностей фотохимии следует, что эмпирическая постоянная фотораспада p = ϕκE, (5.4) где ϕ – квантовый выход фотораспада; Е– облученность плоскопараллельного слоя вещества с молярным показателем поглощения κ. При заданных ϕ и κ ход фотораспада определяется произведением Et, чем и объясняется резкое ускорение процесса после исчезновения облачности во время опытов [103]. Величины в (5.4) имеют спектральный ход, но в пределах 420–520 и 480– 600 нм (полосы поглощения а' уранина и родамина соответственно) можно принять κ ≠ κ(λ) и ϕ ≠ ϕ(λ)). Проинтегрировав распределения лучистой энергии на разных глубинах при максимальной освещенности моря Солнцем [12] в тех же пределах, на основании (5.4) можно оценить относительное изменение постоянной распада с глубиной. Эти оценки даны в табл. 5.2 и относятся к случаю освещения поверхности открытого океана с максимальной прозрачностью вод в полдень безоблачного дня. Таблица 5.2 Относительное изменение постоянной фотораспада с глубиной для уранина и родамина Глубина, м . . . 0 Уранин . . . . 1,00 Родамин . . . . 1,00 5 – 0 ,70 10 0 ,8 6 0 ,57 25 0,61 0,26 50 0 ,2 4 0 ,08 Одновременно с изучением родамина С и уранина Фойерштейн и Селлек [103] обследовали краситель «Pontacyl Brilliant Pink В» (понтасил бриллиантовый розовый Б). Последний близок к родамину по своим спектральным характеристикам, но в меньшей степени адсорбируется частицами морской взвеси и обладает вдвое большей стойкостью на свету. Тем не менее предложение использовать этот краситель в качестве индикатора не нашло поддержки, видимо, потому, что он становится сравним по экономичности с родамином С лишь в опытах продолжительностью более 10 сут, а опыты подобной длительности еще далеки от возможностей современной морской техники. 158 Глава 6. ПРИМЕНЕНИЕ ФЛЮОРЕСЦЕНЦИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ И ОСВОЕНИИ ОКЕАНА Разнообразие применений флюоресценции в океанологических исследованиях объясняется тем, что многие их направления связаны с изучением разнообразных флюоресцирующих субстанций и нуждаются в экспрессных методах оценки количества, состава и состояния подобных веществ. Некоторые из применений известны уже десятки лет, другие только обретают признание океанологов, а часть предложений использовать флюориметрические наблюдения для решения мореведческих задач еще не вышла из стадии обсуждения возможностей. Попытки воспользоваться достоинствами флюориметрических методов были сделаны в физике и химии моря, морской биологии и при решении вопросов охраны морской среды от загрязнения. Пожалуй, только в морской геологии такие попытки не предпринимались, скорее всего потому, что решающее преимущество флюориметрии – сочетание экспрессности с высокой чувствительностью – не играет особой роли при изучении статичных геологических объектов. 6.1. Изучение движений вод океана Одним из способов изучения динамики природных вод является метод трассеров (индикаторов). Он основан на том, что за движением воды следят по некоторому ее объему, отличающемуся от смежных объемов воды каким-либо свойством из-за присутствия в нем особой примеси, выступающей в роли метки. Такими метками могут служить вещества, образующиеся естественным путем в водной среде или искусственно вводимые в водную среду. Искусственные трассеры были успешно использованы еще в прошлом веке, когда по визуальным наблюдениям подкрашенных вод удалось выявить связь бассейнов Рейна и Дуная. Однако для морских применений метод искусственных индикаторов приобрел несомненную ценность лишь в 50-х годах нашего столетия с появлением приборов, измеряющих концентрацию трассера в натуральной морской воде. Располагая такими приборами и задавая момент, место и способ ввода трассера в толщу моря, экспериментатор способен имитировать действие различных источников примесей в разнообразных океанологических ситуациях, проследить за распространением индикатора в толще моря и сравнить его распределение с предсказаниями теоретической модели, отвечающей типу источника и океанологической обстановке (метод натурного моделирования). С освоением техники морских флюориметрических наблюдений быстро выяснилось, что по сочетанию стоимости, доступности определения и безопасности в обращении флюоресцирующие индикаторы имеют явные преимущества перед красителями, радиоизотопами и 159 другими веществами, применяемыми в качестве искусственно вводимых трассеров. Благодаря этим обстоятельствам метод натурного моделирования диффузии примесей в море с помощью водорастворимых флюоресцентных индикаторов (раздел 5.3) получил широкое распространение. В зависимости от конкретной исследовательской задачи использовались разные варианты этого метода. При изучении закономерностей диффузии примесей в море моделировалось в основном распространение примесей от стационарного или мгновенного точечного источника индикатора. Первый опыт такого рода был осуществлен Карпентером [92] в Балтиморском порту. Иозеф с соавторами [114] имитировали действие мгновенного точечного источника с помощью специальной плавающей цистерны, из которой исходный раствор индикатора выдавливался избыточным давлением воздуха в поверхностный слой моря. Благодаря этому им удалось осуществить квазимгновенные запуски индикатора – родамина С сухой массой до нескольких сот килограммов, проследить за его распространением в поверхностном слое на протяжении нескольких суток и проверить правильность ряда теоретических представлений. В диффузионных опытах, выполнявшихся сотрудниками Института океанологии АН СССР на Черном и Балтийском морях, мгновенный запуск флюоресцентных трассеров сухой массой 10–15 кг осуществлялся с помощью открытого контейнера емкостью 200 л [134]. Он заполнялся исходным раствором индикатора, вывешивался с судна над поверхностью моря и опорожнялся при опрокидывании. Такие же количества флюоресцентного индикатора вводились в толщу моря на глубину 1 км из замкнутого контейнера, снабженного дистанционно управляемым электронасосом. При этом формировалось исходное «облако» индикатора диаметром 10–20 м и толщиной 1 м [99]. Для имитации стационарного источника примеси успешно использовалось свободное истечение раствора индикатора из открытого контейнера на надводном основании. Здесь, однако, трудно подбирать и регулировать расход индикатора, и поэтому был предложен более сложный, но гибкий способ непрерывной и равномерной подачи трассера в подповерхностный слой моря [134]. Он основан на применении специального устройства, состоящего из двух герметичных контейнеров, соединенных посредством патрубков и вентилей между собой и с источником избыточного давления и шлангом, через ходовой конец которого на требуемой глубине истекает исходный раствор индикатора. Контейнеры поочередно подключаются к источнику давления и выпускному шлангу, и во время подачи трассера из одного контейнера второй заправляется очередной порцией раствора. Расход последнего регулируется избыточным давлением. Тем самым обеспечивается неограниченно долгая, равномерная и управляемая подача трассера на заданную глубину. Делались также попытки использовать саморастворение сухого флюоресцирующего вещества, притопленного в пористых 160 емкостях, однако этот способ допустим лишь там, где не нужно строгое постоянство расхода индикаторов. Вслед за запуском индикатора на заданную глубину в морских диффузионных опытах требуется зарегистрировать его распределение и по записям восстановить конфигурацию трассированных вод в различные моменты времени или на разном удалении от источника трассера. С этой целью используются неконтактные фотографические и фотоэлектрические способы, проточные или буксируемые флюориметры (раздел 2.2), различные схемы маневрирования носителей аппаратуры и способы привязки отсчетов флюоресценции к координатной сетке. Они сильно зависят от целей и условий проведения опытов и их технического обеспечения. Если не считать опыт Йозефа с соавторами [114], рекордный по количеству индикатора, то обычно пользуются разовыми запусками последнего массой до нескольких десятков килограммов, что позволяет следить за мечеными объемами воды на протяжении нескольких или малых десятков часов. Сам индикатор следует выбирать с учетом всех его свойств (раздел 5.3). Например, уранин нестоек на свету, и поэтому чаще пользуются родамином. Но если трассировке подлежит не поверхностный, а внутренний слой моря, то этот недостаток уранина не играет роли. Более того, в опытах, где требуется многократная трассировка ограниченных акваторий за возможно меньший срок, нестойкость уранина из недостатка оборачивается достоинством. Флюоресцирующие вещества, используемые в качестве трассеров, являются сильными красителями, и поэтому их присутствие в поверхностных слоях моря хорошо заметно даже на сравнительно поздних стадиях процесса диффузии. Это обстоятельство делает возможными аэрофотосъемку меченных объемов воды и визуальное слежение за их перемещением. Последнее чрезвычайно облегчает выбор способа маневрирования в соответствии с реальным движением и распространением индикатора, которые далеко не всегда совпадают с предположениями, складывающимися на основании оценок скорости и направления течений по показаниям измерителей течений или по определениям дрейфа буйков с подводным парусом. Визуальная «навигация относительно пятна» позволяет выполнять его съемку в кратчайшие сроки и тем самым лучше удовлетворить основное требование к каждой из съемок пятна от «точечного» источника – требование «мгновенности». Собственный опыт автора в осуществлении морских диффузионных экспериментов свидетельствует также о том, что на определенной стадии процесса диффузии (5–6 ч и более после запуска – для «мгновенного» источника, 1–2 км и более от источника – для «стационарного») границы меченых объемов воды становятся настолько размытыми или нерегулярными, что по визуальным оценкам становится трудно выбирать оптимальный момент включения регистрирующей аппаратуры, направление движения судна относительно пятна окрашенных вод и в конечном счете найти его истинные размеры и очертания. Поэтому стремление приблизиться к теоретически Заказ № 698 161 возможной пороговой чувствительности определения концентрации флюоресцирующих индикаторов в море оправдано лишь постольку, поскольку ею удается воспользоваться в конкретных условиях натурного эксперимента. На конечной стадии процесса диффузии в поверхностном слое и на протяжении всего опыта – вне его трудности навигационного обеспечения эксперимента чрезвычайно велики, и, видимо, поэтому количество диффузионных опытов с флюоресцентными индикаторами в толще моря намного уступает их числу в поверхностном слое. В работе [99] отмечается, что после запуска трассера на глубину 1 км только на первых трех галсах автономного носителя аппаратуры был установлен контакт с меченым объемом воды, тогда как впоследствии ни одна из попыток регистрации индикатора не удалась, хотя общая протяженность траектории носителя во время опыта составила 100 миль. Несмотря на подобные недостатки, присущие любым индикаторам, использование флюоресцентных трассеров для изучения диффузии примесей в море позволило установить, что реальные распределения концентрации примесей в море подчиняются различным моделям турбулентной диффузии в зависимости от океанологической обстановки, выявить резкую анизотропность рассеяния примесей и относительный сдвиг слоев на смежных горизонтах вследствие затухания дрейфовых течений с глубиной [59], получить прямые доказательства малости турбулентного перемешивания во внутреннем слое океана [99] и ряд других сведений о закономерностях горизонтального и вертикального обмена. Ныне натурное моделирование распространения примесей в море с помощью флюоресцентных трассеров превратилось в один из рутинных приемов океанологических исследований. Его доступность побудила применить непосредственную трассировку сточных вод флюоресцентными индикаторами с тем, чтобы найти пути проникновения загрязнений в водную среду. Эффективность этого приема неплохо подтвердилась результатами эксперимента на оз. Байкал [6], где изучалось распространение сточных вод Байкальского целлюлозного завода (БЦЗ) в толще озера. Индикатор уранин вводился в сточные воды перед поступлением их в коллекторы (трубы), через которые отходы БЦЗ попадают в озеро. В первом опыте меченые стоки поступали на глубину 12 и 20 м из «короткого», во втором – на 30 и 40 м из «длинного» коллектора. Вертикальные профили концентрации индикатора регистрировались зондом [28] на дрейфовых станциях исследовательского катера, положение которого фиксировалось по засечкам с берега. Этими опытами было установлено, что 1) при добавлении уранина к стокам БЦЗ он сохраняет свою способность флюоресцировать и потому пригоден как индикатор их распространения в озере; 2) сточные воды испытывают тысячекратное разбавление в нескольких километрах от их попадания в озеро; 3) они распространяются преимущественно на глубине их выпуска к востоку от коллекторов в соответствии с циркуляцией вод в толще озера; 4) распределение сточных вод крайне анизотропно, отно162 шение горизонтальных размеров пятен меченых стоков к вертикальным составляло 102–103 спустя несколько часов после начала опытов. Васхольц и Кроуфорд [149] продемонстрировали новые возможности метода флюоресцентных индикаторов. Восточнее п-ова Флорида они ввели в океан раствор смеси уранина и родамина в форме вертикальной «стенки» длиной 10 км между горизонтами 60 и 100 м (термоклин) и проследили за ее деформацией с помощью многоканального аппаратурного комплекса. Он включал 25 зондовфлюориметров, размещенных вдоль буксирной линии через 1–3 м. Эксперимент выявил тонкую структуру течений, важность сдвиговых эффектов, перемежаемости и внутренних волн в динамике термоклина и дал характеристики вертикального обмена в его толще. Для развития метода флюоресцентных индикаторов остается актуальным повышение чувствительности их определений и поиск новых веществ, лишенных недостатков уранина и родамина. Выбор подобных веществ и повышение чувствительности путем наращивания мощности возбуждения ограничены спектральным окном 450–560 нм, где минимальны помехи от естественных флюоресцирующих примесей – хлорофилла и РОВ. Это обстоятельство не было известно в 60-х годах, когда закладывалась приборная база метода, и все еще не учитывается некоторыми разработчиками аппаратуры. Изучение динамики вод океана методом флюоресцентных индикаторов в принципе может быть распространено и на явления с масштабами в десятки и сотни километров, но для этого понадобится так много трассирующих веществ, что подобный подход вряд ли осуществим. Наличие в океане локальных источников флюоресцирующих РОВ делает целесообразной попытку использовать их в качестве естественных индикаторов относительного перемещения вод, поскольку флюоресценция РОВ удовлетворительно отвечает главному требованию, предъявляемому к индикаторам, – требованию консервативности. Для изучения динамики прибрежной зоны моря это свойство флюоресценции РОВ впервые применили Циммерман и Ромметс [155], пытаясь ответить на вопрос, какую долю воды Рейна и залива Эйссельмеер составляют в водах залива Ваддензе. В подобной задаче рассматривается действие не одного, а двух источников опресненной воды на прибрежную зону моря, и потому, кроме солености, требовался еще один индикатор. Авторы обнаружили, что воды Рейна флюоресцируют приблизительно вдвое ярче вод залива Эйссельмеер, тогда как флюоресценция вод в Северном море намного слабее свечения воды в Рейне и заливе. Опираясь на жесткую обратную корреляцию солености с флюоресценцией РОВ в зоне смешения речного стока с морской водой (раздел 3.4), они показали, что на корреляционном графике соленость–флюоресценция парные определения этих характеристик в пробах из Ваддензе ложатся в пределах треугольника, образуемого 11* 163 регрессионными прямыми флюоресценции на соленость. Верхняя из них описывает смешение вод Рейна с морской водой, а нижняя – вод залива Эйссельмеер с той же водой. Они предложили рассчитывать объемную долю вод каждого из источников в водах Ваддензе по соотношению солености и интенсивности свечения вод Рейна, обоих заливов и Северного моря. Авторы решили поставленную задачу, собрав пробы воды на этих акваториях в январе 1973 г. Постма с соавторами [137] продолжили изучение перемешивания континентальных и морских вод в прибрежной зоне Нидерландов тем же методом, организовав сбор данных о солености и флюоресценции на протяжении года. Выяснилось, однако, что для процессов длительностью несколько месяцев и более флюоресценция уже не может служить консервативным индикатором из-за поступления флюоресцирующих веществ в море и заливы во время летнего развития планктона и их разложения в бассейнах со слабым водообменом. Авторы оговариваются, что из-за загрязненности вод Рейна невозможно определить, какое именно флюоресцирующее вещество подвергалось разложению – природные соединения или флюоресцирующие загрязнения. Уилли и Аткинсон [151] специально исследовали пригодность флюоресценции РОВ как индикатора перемешивания речного стока с водами Атлантического океана у побережья штатов Джорджия и Северная Каролина (США). Их интересовала возможность различения вклада предгорных (слабая флюоресценция, значительная мутность) и равнинных (яркая флюоресценция, низкая мутность) рек в распреснении морской воды, и поэтому наряду с флюоресценцией исследовалось содержание кремния как индикатора вод предгорного происхождения. Выяснилось, что кремний способен быть индикатором лишь зимой, когда низка биологическая активность акваторий. Напротив, вариации свечения РОВ за несколько дней оказались незначительны, оценки корреляции флюоресценции с соленостью при смешении речных и морских вод приближались к -1, а различия между интенсивностью флюоресценции вод океана и рек обоих типов были достаточно велики, чтобы можно было воспользоваться способом Циммермана и Рометса [155]. Авторы изучили зависимость флюоресценции речных вод от факторов среды и пришли к выводу о пригодности совместных измерений свечения РОВ и солености для решения вышеназванной задачи. Эффективность такого подхода подтвердили Дорш и Бидлман [96]. Они удостоверились в жесткой обратной корреляции соленость – флюоресценция в зоне смешения морских и речных вод в окрестностях г. Джорджтаун на атлантическом побережье США и определили относительную долю стока предгорной и равнинной рек и вод океана в водах бухты, куда впадают эти реки. Перечисленные работы подтвердили полезность флюориметрических наблюдений при исследовании взаимодействия река – море, когда соленость оказывается недостаточной или неэффективной как показатель присутствия разных речных вод в морской среде. 164 Вместе с тем они выявили главное ограничение метода – возможное влияние сезонного хода флюоресценции РОВ и помехи от флюоресцирующих загрязнений водной среды. Первое из них несущественно, если распределения флюоресценции и солености исследуются в течение малых – до нескольких недель – отрезков времени. Влияние второго должно оцениваться на месте, особенно при постановке наблюдений в густонаселенных промышленно развитых регионах. Подобные работы до сих пор выполнялись методом отбора проб. Использование непрерывной регистрации флюоресценции и солености сулит здесь существенный выигрыш в производительности наблюдений и возможность исследования тонких деталей процессов смешения речных и морских вод. В открытом океане также имеются локальные источники флюоресцирующих РОВ (раздел 3.2), и, следовательно, их свечение может быть использовано для индикации относительного переноса вод течениями. Плодотворность такого подхода впервые показали Карабашев и Соловьев [30]. Они измеряли вертикальные профили флюоресценции РОВ одновременно с гидрологическими наблюдениями и построили карты распределения флюоресценции на разных горизонтах в западной части тропической зоны Атлантического океана. На карте для глубины 200 м совпадение ориентации минимума свечения РОВ и векторов течений (рис. 3.5) доказывало, что этот минимум был порожден переносом слабосветящихся вод сквозь воды с более высоким содержанием флюоресцирующих РОВ и давал представление о направлении переноса. Второй пример индикации движения вод свечением РОВ был получен в Индийском океане, где Мадагаскарское течение трассировалось поверхностным максимумом флюоресценции РОВ [18]. В некоторых океанологических ситуациях флюоресценция РОВ индицирует течения лучше, чем другие океанологические характеристики [30]. Можно указать следующие достоинства флюоресценции РОВ как индикатора крупномасштабных движений вод открытого океана: 1) флюоресценция удовлетворяет требованию консервативности, по крайней мере – в толще океана и за временные интервалы, меньшие сезонов года; 2) средние значения ее интенсивности меняются от поверхности к внутреннему слою океана втрое – впятеро, а при переходе от одного района к другому кратность их изменений может быть еще большей (разделы 3.2, 3.3). Поэтому даже на сравнительно малые изменения структуры океана распределение флюоресценции РОВ реагирует изменением интенсивности в первом – втором знаке измеряемой величины, что снижает требования к точности определений интенсивности; 3) при надлежащем выборе спектральных параметров аппаратура для измерения флюоресценции РОВ нечувствительна к другим примесям в морской воде. В этом – существенное преимущество использования интенсивности свечения РОВ в качестве трассера по сравнению с другими квазиконсервативными гидрооптическими характеристиками. Они в любом участке спектра определяются несколькими компонентами морской воды, из-за чего при прочих 165 равных условиях зависимость их распределения от циркуляции вод может затушевываться действием дополнительных факторов изменчивости. Важным субъективным фактором в оценке пригодности наблюдений свечения РОВ для индикации течений в открытом океане выступает, видимо, метод сбора и обработки данных. Проверка возможности индикации экваториальных противотечений в Атлантическом и Тихом океанах по флюоресценции РОВ, предпринятая нами по материалам двух экспедиций, не дала определенного ответа скорее всего потому, что в обоих случаях сравнивались лишь очертания изотах и изоплет флюоресценции на парах разрезов поперек экватора. Для окончательного суждения об эффективности трассировки экваториальных противотечений флюоресценцией РОВ требуется выполнить такие наблюдения, которые позволили бы построить карты распределений флюоресценции на разных глубинах и сравнить очертания изоплет на этих картах с векторами течений. Флюоресценции РОВ как трассеру циркуляции вод океана присущи и принципиальные ограничения. Эффективность индикации непостоянна по глубине (раздел 3.2) и зависит от ориентации течений относительно крупномасштабных горизонтальных неоднородностей биогенной взвеси – поставщика флюоресцирующих РОВ в океане. Поэтому для выявления течений по флюориметрическим данным необходимо учитывать распределение биологической продуктивности. Судя по имеющимся сведениям и накопленному опыту, флюоресценция РОВ пригодна прежде всего для индикации меридионального переноса вод, например, в западных пограничных течениях. Зависимость формы профилей флюоресценции РОВ от вертикальной составляющей скорости течения (раздел 3.3,) техническая простота их измерения и отсутствия надежных методов оценки скоростей подъема и опускания вод, знание которых крайне ценно, делают соблазнительной попытку решения обратной задачи о нахождении таких скоростей по профилям флюоресценции РОВ. Однако указанная зависимость все еще гипотетична, и форма профилей РОВ зависит от ряда других факторов, которые трудно учитывать без дополнительных измерений. Вообще, применение флюоресценции РОВ, как и прочих океанологических характеристик, для изучения циркуляции вод океана и их вертикальных движений сдерживается отсутствием адекватных физических моделей, которые позволили бы переходить от распределения свойств к полю скоростей, и, за редким исключением, недостатком сведений о локальных источниках флюоресцирующих РОВ. Скорее всего, измерения свечения РОВ, подобно наблюдениям других характеристик, применимы только для качественных, ориентировочных суждений о движении воды в открытом океане. Можно лишь утверждать, что в той или иной конкретной ситуации эти измерения окажутся предпочтительнее в силу особенностей воздействия течений на поле флюоресценции в океане и преимуществ определений флюоресценции. 166 6.2. Флюориметрическое изучение органического вещества в водах морей и океанов Органическое вещество (ОВ) в водной толще качественно разнообразно, образуется непосредственно в океане, поступает в него с суши и существует в различных формах [64]. Флюоресценция в той или иной степени присуща по крайней мере основным из них – живому ОВ планктона, ОВ отмершей взвеси и РОВ. С появлением гипотезы о РОВ как причине флюоресценции фильтрованной морской воды пробудилась надежда заменить трудоемкий химический анализ быстрыми флюориметрическими определениями содержания РОВ в море. Накопленные данные о связи Сорг с интенсивностью свечения РОВ (раздел 3.4), не опровергая саму гипотезу, свидетельствовали о неправомерности такой замены. Они наталкивали на вывод о том, что флюоресцирующие окрашенные РОВ, составляя небольшую долю всего РОВ морской воды, тесно связаны с веществами, образующимися при разложении автохтонного биогенного материала в открытом океане. Отсюда вытекала целесообразность использовать измерения флюоресценции in situ для изучения трансформации ОВ в толще моря с более высоким пространственно-временным разрешением по сравнению с анализом проб воды. Применительно к относительной изменчивости разных форм ОВ основная трудность подобного подхода состоит в том, что еще не научились измерять свечения ОВ отмерших частиц на фоне свечения ОВ живого фитопланктона и РОВ. Эту трудность можно обойти, если о взвешенном ОВ судить по измерениям иным методом, сходным с флюориметрическим по экспрессности и разрешению. Таким методом является, например, нефелометрический. Это позволяет воспользоваться многоцелевым зондом ИПФ-70 для рекогносцировочных сопоставлений изменчивости разных форм ОВ, поскольку прибор способен последовательно измерять профили интенсивности флюоресценции хлорофилла Фхл (индикатор живого вещества), интенсивности Фр рассеяния света под прямым углом, пропорциональной содержанию взвешенных частиц [77], и интенсивности ФРОВ флюоресценции РОВ, пропорциональной содержанию флюоресцирующей фракции РОВ. В 17-м рейсе НИС «Академик Курчатов» были выполнены оценки совместных распределений Фхл, ФР и ФРОВ в экваториальной зоне Тихого океана от 97°з. д. (ст. 1454) до 155°з. д. (ст. 1461) и в перуанском прибрежном районе [19], где доминируют биогенная взвесь и автохтонные РОВ, а соотношение форм ОВ варьирует в широких пределах из-за разнообразия условий образования и разрушения биогенного материала. В пределах каждого региона по количеству, амплитуде и толщине максимумов и кратности пространственных вариаций самыми неоднородными были распределения флюоресценции хлорофилла, а самыми «гладкими» – свечения РОВ. Эта тенденция была нарушена только на ст. 1466 167 придонным максимумом ФР (рис. 6.1). Распределения флюоресценции и рассеяния на экваторе были не столь неоднородны, как в перуанском районе. Чтобы количественно оценить соотношение неоднородностей распределений на экваторе, для каждого из них на крайних станциях экваториального разреза были рассчитаны средние модули вертикальных относительных градиентов в слое от 0 до 100 м n Γ = ( n − 1) −1 ∑ (Φ n +1 − Φ n −1 ) /( 2 ΔzΦ n ) , 1 где Δz = 5 м – шаг измерений по глубине; n – номер горизонта и Фn – среднесуточная флюоресценция или рассеяние на глубине Δz(n–1). Профиль свечения РОВ на ст. 1461 обладал наименьшим значением Г. Нормировка на нее значений Г остальных профилей обнаружила, что неоднородности профилей Фхл, ФР и ФРОВ соотносились, как 14400:45:18 на ст. 1454 и 49:1,6:1 на ст. 1461 соответственно. Различия неоднородностей профилей Фхл, ФР и ФРОВ существовали вопреки генетической связи между РОВ, взвешенными частицами и живым фитопланктоном как раз там, где он служит основным источником взвешенного и растворенного ОВ. Следовательно, структурная и энергетическая деградация субстанций биологического происхождения сопровождалась уменьшением неоднородности их вертикального распределения. Скорее всего, такая тенденция была обусловлена увеличением «времени жизни» и уменьшением способности противостоять вертикальному перемешиванию с переходом от живых клеток через отмершие частицы к молекулам РОВ. Сохранение неоднородности распределения вещества при перемешивании возможно, если в среде действует локальный источник этого вещества или оно способно перемещаться в среде. Фитопланктон «умеет» управлять своей плавучестью [142] и в слоях с оптимальными условиями обитания размножается быстрее, чем вне их. Детрит лишен таких особенностей, но скорость его оседания замедляется с уменьшением разницы плотностей воды и частиц детрита, благодаря чему они нередко скапливаются в пикноклине. Молекулы РОВ движутся только вместе с водой, в силу чего неоднородности их распределения (и распределения флюоресценции РОВ) должны сглаживаться перемешиванием быстрее, чем неоднородности распределения детрита (рассеяния света) или водорослей (их свечения). На основании синхронных наблюдений разных океанологических характеристик в работе [19] было показано, что профили Фхл, ФР и ФРОВ на экваторе и в перуанском районе были измерены в условиях, охватывавших почти весь диапазон возможных соотношений между подъемом вод и вертикальным перемешиванием. Оба процесса контролируют биологическую продуктивность океана [135]. Поэтому следует заключить, что уменьшение неоднородности оптических свойств, присущих биогенному материалу, вслед за качественной деградацией этого материала является универсальной 169 закономерностью на акваториях, где океанический фитопланктон дает основную массу растворенного и взвешенного ОВ. Если это так, то совместные измерения флюоресценции и рассеяния пригодны для экспрессной диагностики источников и путей поступления различных субстанций в толщу моря. Признаком действия источников растворенных и взвешенных веществ, не связанных с планктоном, должно служить появление дополнительных максимумов на профилях ФР и ФРОВ по сравнению с профилями Фхл. Действительно, во всех случаях отступления от описанной закономерности такие максимумы были приурочены к придонному слою, где велика вероятность взмучивания донных отложений, либо наблюдались в зоне влияния речного стока. При изучении геохимии органического вещества в океане полезны сведения о составе и строении РОВ, которые могут быть получены из измерений физических характеристик свечения РОВ и его зависимости от факторов среды. Подобная информация и ее истолкование приведены в главе 3. Дальнейшие исследования этих характеристик будут способствовать уточнению знаний о природе ОВ в океане. 6.3. Флюориметрические методы в морских биологических исследованиях Натурные и лабораторные исследования доказали, что длинноволновая красная флюоресценция, возбуждаемая в натуральной морской воде коротковолновым видимым излучением, является свойством фотосинтетических пигментов в живых одноклеточных водорослях. Отсюда вытекает, что измерения флюоресценции пигментов в море являются одним из самых перспективных методов изучения фитопланктона – исходного звена трофической цепи обитателей океана и основы формирования его пищевых ресурсов. Вопервых, современные методы изучения фитопланктона базируются на отборе и анализе проб воды, тогда как подробное исследование структуры планктонных сообществ, тонких деталей утилизации лучистой энергии популяцией водорослей и другие практически важные задачи поддаются решению лишь посредством массовых измерений свойств и количества фитопланктона в реальных условиях его обитания. Во-вторых, пока неизвестны какие-либо иные физические явления, которые могли бы послужить основой для создания зондирующей аппаратуры, реагирующей только на живые клетки фитопланктона. В-третьих, измерения флюоресценции поддаются автоматизации и комплексированию с другими видами океанологических измерений, что особенно ценно при постановке морских эколого-физиологических исследований. Применения флюориметрических методов в подобных исследованиях развиваются в двух направлениях. Одно из них опирается на концентрационную зависимость флюоресценции хлорофилла, а другое – на зависимость физических и удельных характеристик свечения от 170 условий обитания фитопланктона, его состава и состояния. Первое из указанных направлений объединяет попытки определять количество хлорофилла или массу водорослей, а также их относительное распределение в пространстве и во времени по измерениям интенсивности флюоресценции хлорофилла. Судя по отечественному и зарубежному опыту, вертикальное зондирование водной толщи флюориметрами для обнаружения и обследования скоплений хлорофилла и фитопланктона сделалось ныне рутинным элементом комплексных исследований морских планктонных сообществ. Такое зондирование применяется, например, Институтом океанологии АН СССР с 1973 г. в открытом океане (10-й, 20-й, 24-й рейсы НИС «Дмитрий Менделеев», 61-й рейс НИС «Витязь», 17-й, 22й, 28-й, 34-й, 36-й, 39-й, 40-й рейсы НИС «Академик Курчатов») и во внутренних морях. Даже при самых неблагоприятных условиях одно зондирование деятельного слоя на дрейфовой станции занимает не более 10–15 мин при пространственном разрешении не хуже 1 м. При зондировании деятельного слоя проточным флюориметром [94, 121 и др.] затрачивается приблизительно столько же времени, но ухудшается пространственное разрешение. Однако и в этом случае оно более чем на порядок значения лучше того пространственного разрешения, которое способны обеспечить измерения в пробах воды со стандартных горизонтов 0, 10, 20, 30, 50, 75 и 100 м (ГОСТ 1845173). Резкое повышение производительности и достоверности наблюдений, возможность выявления гросс-структуры и тонких деталей вертикального распределения величин, связанных с живым фитопланктоном, – таковы достоинства флюориметрического зондирования деятельного слоя, стимулирующие его быстрое внедрение в океанологические исследования. Накопленный опыт позволяет уточнить представления о прогностической ценности гидрологических и гидрооптических измерений для выявления слоев с повышенным содержанием фитопланктона. В литературе нередко приводятся графики, на которых демонстрируется совпадение глубин максимумов концентрации планктона, показателей ослабления или рассеяния света со слоями скачка плотности или температуры воды. На основании подобных графиков утверждается, например, что «.. .в подавляющем большинстве случаев с помощью данных гидрооптических измерений удается быстро и точно определять глубину залегания слоев скачка плотности или слоев с повышенным содержанием фитопланктона» [47]. В действительности около половины измерений в точках, равномерно распределенных по мировому океану, придутся на океанические «пустыни» [45], где мощность верхнего квазиоднородного слоя превышает 60–70 м и где, следовательно, действуют факторы, препятствующие совпадению максимумов вертикального распределения фитопланктона с верхней границей пикноклина (раздел 4.3). Чрезмерный оптимизм был порожден, видимо, тем, что большая часть гидрооптических данных была получена в средне- и высокопродуктивных зонах океана, где фитопланктон действительно тяготеет к неглубокому пикноклину 171 (в том числе – по флюориметрическим данным), в котором скапливаются продукты его жизнедеятельности в виде взвеси. Последнее и приводит к довольно частому совпадению по глубине максимумов планктона, ослабления и рассеяния света с экстремумами вертикальных градиентов гидрологических характеристик. Подтверждением тому служат оценки корреляции между профилями показателя ослабления и градиента плотности воды, которые приближаются к 1,0 только тогда, когда пикноклин хорошо выражен и залегает не глубже 50 м, но не имеют значимых отличий от нуля в остальных случаях [61]. Изучение мезомасштабных распределений биологических характеристик методом НМЗ в дрейфе и на ходу судна, а также в режиме непрерывной регистрации свечения на фиксированных горизонтах – другое важное применение in situ флюориметрии в морских экологических исследованиях. Некоторые результаты, добытые с ее помощью, обсуждаются в главе 4. Она позволяет обследовать поведение живых одноклеточных водорослей в окрестностях фронтов и вихрей, находить отличия неоднородностей распределения хлорофилла от неоднородностей абиотических океанологических характеристик и, что особенно ценно, визуализировать структуру фитоценоза и, тем самым, получать прямые свидетельства «пятнистости» распределения водорослей в океане. Одним из немногочисленных свидетельств такого рода может служить обособленный притопленный максимум горизонтального распределения флюоресценции хлорофилла протяженностью 4,5 км на глубине 12–17 м, обнаруженный на начальном участке разреза в Балтийском море (рис. 4.17). При изучении мезомасштабных неоднородностей важно объединить флюориметрические измерения с регистрацией гидрофизических характеристик, как это было сделано в работе [109]. В развитие такого подхода Фэшем с соавторами [102] обследовали распределение фитопланктона в окрестностях азорского фронта, выполнив там наблюдения с помощью CTD-зонда и зонда-флюориметра, размещенных на буксируемом носителе с пилообразной траекторией движения. Они не обнаружили существенного увеличения биомассы планктона вблизи фронта, выявили различия вертикальных распределений хлорофилла по обе его стороны и смогли проследить за тем, как трансфронтальная интрузия вдоль изопикнической поверхности порождала дополнительный максимум хлорофилла на глубине 170 м. Видимо, и в дальнейшем подобные применения останутся одними из самых важных [143], так как в приборно-методическом аспекте им нет альтернативы. Они не приобрели еще столь же широкого распространения, как вертикальные зондирования, только из-за существенных технических и организационных трудностей, с которыми сталкивается изучение мезомасштабных распределений любых океанологических характеристик. 172 Основные ограничения биологических применений in situ флюориметрии, основанных на концентрационной зависимости свечения хлорофилла, порождаются тем, что параметры последней непостоянны по Мировому океану и подвержены влиянию условий обитания, состава и состояния фитопланктона. Оценки корреляции интенсивности свечения хлорофилла с его концентрацией в натуральной морской воде, найденные в разнообразных океанологических ситуациях (раздел 4.8), приводят к выводу о том, что измерения интенсивности флюоресценции хлорофилла в толще моря, выполняемые без учета условий наблюдений, без привлечения дополнительной информации или особых приемов, способны обеспечить точность, отвечающую лишь требованиям полуколичественного анализа. Один и тот же фактор, влияющий на параметры концентрационной зависимости, может выступать как причина случайных и систематических погрешностей флюориметрического определения хлорофилла в толще моря. Например, суточный ритм свечения хлорофилла снижает средние значения и увеличивает дисперсию выборок данных об интенсивности флюоресценции хлорофилла, если их сбор длится более суток. Когда длительность наблюдений не превышает 1–2 ч, тот же фактор способен лишь незначительно завысить дисперсию выборок данных, но может обусловить заметное расхождение оценок средних у «ночных» и «дневных» выборок. В силу особенностей суточного ритма (раздел 4.2) его роль в формировании погрешностей флюориметрического определения хлорофилла быстро убывает с глубиной и не столь велика на умеренных и высоких широтах, как в тропической зоне. Еще сложнее влияние состава и состояния фитопланктона на концентрационную зависимость свечения хлорофилла. Из-за них ее параметры приобретают сезонный ход, могут оказаться непостоянными по глубине и в окрестностях внутренних границ водной среды, разделяющих акватории с существенно разными условиями обитания водорослей. Простой способ снизить погрешности флюориметрического определения хлорофилла до уровня, отвечающего требованиям количественного анализа, состоит в том, чтобы выполнять флюориметрические наблюдения in situ под контролем совместных определений концентрации хлорофилла в пробах воды стандартными методами и калибровать флюориметрическую аппаратуру по этим определениям. Несмотря на недостатки самих стандартных методов (раздел 4.8), указанный способ используется уже на протяжении 10– 15 лет и в значительной мере содействовал распространению флюориметрических методов исследований пространственно-временной изменчивости хлорофилла и фитопланктона в деятельном слое океана. Подобная калибровка возможна в первую очередь потому, что качественные изменения фитопланктона в океане достаточно медленны или заметны на более протяженных пространствах по сравнению с его количественными вариациями. Последние сильно зависят от разнообразных форм движения вод океана, в том числе от мезо- и микромасштабных. Именно такие вариации биологических характеристик не поддаются изучению стандартными методами, 173 основанными на отборе проб воды, и в то же время становятся все более доступны исследованиям с развитием измерителей флюоресценции в толще моря. Необходимость калибровки флюориметров по стандартным определениям концентрации хлорофилла делает более громоздкой организацию натурных экспериментов и наблюдений, нацеленных на выявление количественных закономерностей изменчивости биологических характеристик. Однако и в этом случае in situ флюориметрия дает существенный выигрыш в производительности наблюдений, так как для проверки стабильности концентрационной зависимости показаний зонда-флюориметра достаточно нескольких стандартных определений хлорофилла на отрезках пути или в интервалах времени, протяженность или длительность которых в десятки и сотни раз превышает пространственное разрешение прибора или его инерционность (здесь количество достоверных отсчетов на отрезке принимается равным отношению его протяженности к пространственному разрешению прибора). Поэтому, например, использование зонда ИПФ-70 с пространственным разрешением около 1 м для оценки вертикального хода концентрации хлорофилла в слое 0–100 м под контролем спектрофотометрических его определений на стандартных горизонтах по ГОСТ 18451-73 увеличивает производительность измерений по крайней мере на порядок своего значения, не говоря уже об их детальности и экспрессности. При использовании того же зонда для оценки горизонтальных неоднородностей распределения хлорофилла в режиме буксировки эти показатели будут еще выше. Но было бы преждевременным давать универсальные рекомендации об объеме контрольных определений хлорофилла при флюориметрическом исследовании его распределений, так как этот объем зависит не только от характеристик аппаратуры и требований к конечным результатам, но и от структуры и стабильности фитоценоза в океане, которые сами еще подлежат изучению. Два обстоятельства указывают на то, что флюориметрическое изучение мезомасштабных распределений хлорофилла и фитопланктона не требуют большого объема сопутствующих калибровочных определений содержания хлорофилла в морской воде. Во-первых, тенденция приближения коэффициентов корреляции между интенсивностью свечения и концентрацией хлорофилла к +1,0 по мере уменьшения площади акваторий или длительности временных интервалов, на которых выполняется сбор исходных данных (раздел 4.8), т. е. с переходом от макро- к мезомасштабной изменчивости. Во-вторых, близость этих коэффициентов к 1,0 в натурных опытах с применением калибровки флюориметрической аппаратуры по оценкам содержания хлорофилла в весьма разнообразных океанологических ситуациях (раздел 4.8). Более того, при исследовании закономерностей изменчивости океанологических характеристик возникает немало задач, для решения которых нет нужды представлять результаты обработки данных измерений в абсолютных единицах (сравнение формы гистограмм распределений разнородных величин, оценки 174 относительной изменчивости, оценки формы корреляционных и структурных функций, функций спектральной плотности и т.д.). Если флюоресценция хлорофилла регистрируется для решения подобных задач с целью изучения его мезо- и микромасштабной изменчивости, то допустимо обойтись без калибровки флюориметрической аппаратуры по стандартным определениям или выполнять их в минимальном объеме, достаточном для контроля стабильности удельной флюоресценции хлорофилла. Наряду с применениями флюориметрии, основанными на концентрационной зависимости интенсивности свечения хлорофилла, практически важны возможности изучения состава и состояния фитопланктона, связанные с влиянием последних на спектры поглощения и испускания, квантовый выход, излучательное время жизни и другие физические характеристики флюоресценции пигментов в живых частицах. Исследования этих характеристик немало способствовали пониманию механизма фотосинтеза и физиологии высших растений [80 и др.]. Обнаружение суточного ритма флюоресценции хлорофилла и объяснение этого эффекта перестройкой хлоропластов в одноклеточных водорослях является пока наиболее интересным вкладом in situ флюориметрии в изучение воздействия внешних факторов на состояние популяции фитопланктона в океане. Основные черты и вероятный механизм этого явления описаны в разделе 4.2. Стоит отметить, что, хотя возможные причины суточного ритма свечения на внутриклеточном уровне были известны [135], сам суточный ритм для популяции водорослей не предсказывался, и действие его причин не было обнаружено по другим эффектам, зависящим от состояния пигментной системы фитопланктона (например, по поглощению света). Между тем суточная периодичность флюоресценции водорослей в водной толще наблюдается на гигантских акваториях и означает, что способность водорослей утилизировать лучистую энергию также подвержена колебаниям с суточным периодом. Суточный ритм флюоресценции хлорофилла служит доводом в пользу ритмичности световых реакций фотосинтеза, которые протекают в реальной популяции океанического фитопланктона. Зависимость характеристик флюоресценции фотосинтетических пигментов от состава фитопланктона целесообразно использовать для качественного анализа водорослей. Было показано, что микрофлюктуации интенсивности флюоресценции пигментов определяются размерами частиц или их агрегатов (раздел 4.5). Обращая эту зависимость, с помощью зондов-флюориметров можно получать информацию о крупности и агрегированности фитопланктона по измерениям флюктуации его флюоресценции. Нефелометрический и кондуктометрический методы оценки размерного спектра частиц, пригодные для создания погружаемых приборов и уже нашедшие применения в океанологических исследованиях, не отличают живые частицы от мертвых. Различия спектров поглощения водорослей разных таксономических групп (раздел 4.1) должны приводить к различиям их 175 спектров возбуждения, так что in situ регистрация последних открывает возможность экспрессного видового анализа фитопланктона. В полной мере она еще не использовалась. Оценка видового состава путем измерения спектров поглощения фотосинтетических пигментов в море пока невозможна, поскольку не найдены надежные методы определения спектров истинного поглощения in situ [81] и методы разделения перекрывающихся полос поглощения пигментов и других окрашенных веществ естественного происхождения в морской воде. Простейший способ получить сведения о видовом составе водорослей может состоять в том, чтобы раздельно возбуждать флюоресценцию хлорофилла в его коротковолновой полосе поглощения и в полосе поглощения одного из дополнительных пигментов. Чтобы проверить эффективность способа, флюориметр ИПФ-70 был доукомплектован светофильтрами, один из которых позволял возбуждать свечение хлорофилла в полосе Соре, а другой – в полосе поглощения фикобилинов и каротиноидов (табл. 2.1), и в мае 1975 г. на разных акваториях Балтийского моря были измерены профили интенсивности свечения хлорофилла Фхл и Ффик, возбуждаемых в указанных полосах. Фикобилины содержатся только в сине-зеленых (табл. 4.1), так что если способ «работает», то отношение Р = Ффик/Фхл должно было меняться по вертикали и по акватории моря вслед за соотношением сине-зеленых и диатомовых. Некоторые результаты этих наблюдений приведены на рис. 6.2. В соответствии с данными о распределении пигментов планктона в Балтийском море, максимум вертикального хода Фхл и Ффик всюду залегали в слое 0–10 м, и с переходом от открытого моря к Рижскому заливу обе характеристики возросли более чем на порядок своего значения. Вместе с тем значение Р было наибольшим в подповерхностном слое и в Рижском заливе, что хорошо согласуется с данными о местах скопления синезеленых в Балтийском море. Подобный подход был развит в ходе исследований характеристик флюоресценции фитопланктона в культурах и в водах Мексиканского залива и Атлантического океана [154]. Сравнивались спектры возбуждения и свечения диатомовых, динофлагеллят, сине-зеленых и зеленых водорослей. Поглощение света последними из них определяется главным образом хлорофиллом, тогда как первых двух – каротиноидно-протеиновым комплексом и хлорофиллом. Фикобилины, содержащиеся в сине-зеленых, дают дополнительные максимумы в спектрах возбуждения и свечения. На основании анализа измеренных спектров водорослей разных таксономических групп авторы работы [154] предложили длины волн, при которых эффективность возбуждения и интенсивность свечения можно использовать как метки того или иного класса водорослей и по соотношению таких меток ориентировочно судить о составе популяции фитопланктона (табл. 6.1). В работе [154] на смесях суспензий зеленой водоросли Dunaliella и диатомовой Sceletonema показано, что отношение эффективностей 176 возбуждения флюоресценции хлорофилла при 530 и 450 нм довольно чувствительно к составу смеси и менялось обратно пропорционально процентному содержанию в ней зеленых водорослей Рис. 6.2. Отношение Р интенсивности флюоресценции хлорофилла, возбуждаемой в полосах поглощения дополнительных пигментов и хлорофилла, и температура воды T°С на акваториях Балтийского моря. Графики построены по результатам измерений зондом ИПФ-70 и батитермографом в мае 1975 г. на суточных якорных станциях в Гданьской (а) и Готландской (б) впадинах, к северу от о. Хиума (в) и в центральной части Рижского залива (г). Р и Cv – оценки среднесуточных значений и коэффициентов вариации указанного отношения. от 0,37 до 0,17 с ростом доли последних от 0 до 100 %. Это отношение менялось в еще более широких пределах (от 0,23 до 0,85) с переходом от олиготрофных вод открытой части Мексиканского залива к эфтрофной дельте Миссисипи, где, согласно визуальным оценкам, возобладали как раз диатомовые и динофлагелляты. Полоса свечения фикоэритрина при 560–570 нм встречалась на спектрах большинства проб, в том числе из открытой части Мексиканского залива и взятых зимой и весной в зоне атлантического побережья США. Авторы заостряют внимание на этом факте и считают, 12 Заказ № 698 177 Таблица 6.1 Длины волн возбуждения и испускания, характерные для пигментных групп морского фитопланктона (по [154]) Длины волн, нм возбуждение испускание 1 450 2 525–530 3 490 680 680 560–570 Дополнительные пигменты группы Примеры Дополнительные хлоро- Все водоросли филлы Протеин-каротиноиды Диатомовые и динофлагелляты Фикобилины (фикоэри- Сине-зеленые и криптотрин) монады что неожиданно широкая распространенность фикоэритрина заставляет заняться уточнением таксономии фитопланктона и делает определения фикобилинов столь же непременным разделом экологических исследований, как и определения хлорофилла. Видимо, первая практическая попытка применить двухчастотное возбуждение морского фитопланктона для получения информации о различиях распределений водорослей, отличающихся своими пигментными системами, была сделана Фармером с соавторами весной 1978 г. [100]. Они осуществили непрерывную регистрацию флюоресценции хлорофилла посредством лидара на борту вертолета, который летал над заливом Наррагансет (атлантическое побережье США). Одновременно с судна велись определения гидрофизических и химических характеристик вод, содержания в них хлорофилла, количества и видового состава водорослей. Источником возбуждения в лидаре служил лазер на красителях, испускавший попеременно излучение на длинах волн 454 и 539 нм, приемником – ФЭУ со светофильтром шириной 9 нм при максимуме 685 нм. Ожидалось, что в обследуемых водах будут присутствовать диатомовые, возбуждаемые при 454 и 539 нм, и зеленые, не флюоресцирующие при возбуждении на 539 нм. По результатам наблюдений были построены карты распределений хлорофилла в каждом из видов водорослей и показано, что на главный максимум концентрации водорослей, обусловленный весенним цветением диатомовых, накладывались вторичные максимумы меньших размеров с повышенным содержанием зеленых и микрофлагеллят, формировавшиеся, скорее всего, под влиянием ветра, приливных течений и, возможно, сточных вод. Попытка использовать спектральные характеристики флюоресценции фотосинтетических пигментов для экспрессного исследования особенностей распределения фитопланктона разного видового состава в открытом океане была предпринята в комплексных наблюдениях с участием Хоуга и Свифта [111]. Они построили самолетный лидар, способный возбуждать флюоресценцию фитопланктона в полосе поглощения хлорофилла (427 нм) и дополни178 тельных пигментов (532 нм) и регистрировать ее в полосе свечения хлорофилла и фикоэритрина. С помощью этого прибора и дополнительного оборудования ими были обследованы распределения флюоресценции планктона и температуры поверхностного слоя океана во время полетов над атлантическим шельфом США и Саргассовым морем, в том числе над теплыми рингами Гольфстрима. Последние отчетливо фиксировались на записях температуры и флюоресценции, где теплому ядру ринга отвечало 3–4-кратное понижение концентрации хлорофилла. На разных трассах интенсивности свечения хлорофилла, возбуждаемые линиями 427 и 532 нм, менялись сходным образом, их вариации оставались подобными и на отдельных отрезках этих трасс. Соотношение флюоресценции хлорофилла и фикоэритрина флюктуировало гораздо сильнее, особенно на периферии ринга с большой орбитальной скоростью движений вод, что приводило к существенной перемежаемости оценок коэффициентов корреляции хлорофилл – фикоэритрин по курсу самолета. Не располагая данными определений пигментов, выполненных на судне в ходе опытов, авторы работы [111] воздерживаются от окончательной интерпретации своих наблюдений, но можно полагать, что Хоугу и Свифту действительно удалось обнаружить влияние динамики вод на видовой состав водорослей. Несмотря на некоторые успехи, использование измерений физических характеристик флюоресценции фитопланктона еще далеко от реализации всех возможностей, которые они сулят как источник сведений о его составе и состоянии. Их осуществление сдерживается главным образом отсутствием погружаемых измерителей спектров возбуждения и флюоресценции. Давно известно, что ткани растений и животных люминесцируют в ультрафиолетовых лучах. Этот эффект может оказаться полезным в морской биологии, например как основа устройств для быстрого обнаружения и подсчета мелких животных в толще моря (зоопланктона). Для этого прежде всего требуется определить физические характеристики люминесценции зоопланктона. Во время 20го рейса НИС «Дмитрий Менделеев» была предпринята рекогносцировочная попытка подобных определений. Объектом измерений служили различные рачки и щетинкочелюстные (хетогнаты) размером до 2–5 мм. Они были выбраны потому, что относятся к массовым представителям зоопланктона и заметно отличаются составом и консистенцией тканей. Живые животные из свежих сетных ловов помещались на предметный столик спектрофлюорометра (раздел 2.4) в капле морской воды перед щелью монохроматора и сверху облучались сфокусированным излучением лазера ЛГИ-21. При этом записывались импульсы люминесценции в синей области с тем, чтобы оценить излучательное время жизни свечения животных тем же способом, что и τРОВ. Судя по визуальным наблюдениям, при возбуждении зоопланктона при 337 нм спектры свечения обследованных животных сильно перекрывались между собой, мало отличались от спектров РОВ, 12* 179 лежали преимущественно в сине-фиолетовой области спектра и не испытывали заметных изменений при переходе от одних частей тела к другим, тогда как яркость свечения их тканей на 2–3 порядка своего значения превышала яркость свечения воды, окружавшей животных. Оценки излучательного времени жизни тканей хетогнат составили 4 нс, а тканей рачков 6–7 нс. По этому признаку свечение зоопланктона – типичная флюоресценция. Оно отличается от свечения РОВ по крайней мере яркостью и кинетикой, что можно использовать для создания флюоресцентного регистратора зоопланктона. В настоящее время его инструментальное исследование ведется с помощью батифотометров – измерителей биолюминесценции. Она стимулируется внешними раздражителями растений и животных, в частности движениями самого батифотометра в море, из-за чего показания батифотометров трудносопоставимы. Флюоресцентный счетчик планктона будет свободен от подобного недостатка, так как флюоресценция не возбуждается движениями аппаратуры в море. Для всех применений флюориметрии в морских биологических исследованиях важным ограничением выступает флюоресценция РОВ. Еще в первых работах по флюориметрическому определению хлорофилла было замечено, что при калибровке приборов по его определениям в пробах воды флюоресценция оставалась довольно значительной даже при нулевой концентрации хлорофилла. Было показано, что одной из причин этого явления может выступать свечение РОВ [25]. При этом крайне существенно, каковы спектральные характеристики источника возбуждения и приемника флюоресценции в измерителях концентрации хлорофилла. Чтобы обеспечить максимальную чувствительность определений, нередко стремятся возбуждать свечение хлорофилла в широком спектральном интервале от УФ-области до 550 нм и принимать всю полосу флюоресценции [104 и др.]. Но даже при возбуждении пробы воды линией ртути 436 нм длинноволновое крыло спектральной полосы РОВ простирается до красной границы видимого спектра и накладывается на полосу свечения хлорофилла. Чтобы снизить фон от РОВ, в зонде ИПФ-70 применен светофильтр, пропускающий свечение хлорофилла в длинноволновом крыле его спектральной полосы, где вклад флюоресценции РОВ минимален (табл. 2.1). Измерения свечения фильтратов морской воды показали, что в открытом океане такой способ подавления фона от РОВ вполне эффективен. Подобный опыт, проделанный А. Н. Соловьевым в Балтийском море, выявил, что там, где велико содержание аллохтонных флюоресцирующих РОВ, их свечение может достигать 5–10 % свечения хлорофилла даже при указанном смещении спектральной полосы приемника к красной границе видимого спектра. Не исключено, что так называемая «красная растворенная флюоресценция», которую зарубежные авторы обнаружили в фильтратах морской воды посредством приборов, настроенных на регистрацию хлорофилла, в действительности представляет собой фоновое излучение РОВ в полосе свечения хлорофилла. Это тем более вероятно, что они 180 пользовались приемниками, регистрировавшими всю полосу свечения хлорофилла, иногда вплоть до 661 нм [108]. Сравнение флюоресценции морской воды и ее фильтрата остается основным способом контролировать влияние фонового свечения РОВ на определения хлорофилла посредством фильтр-флюориметра. Сходство и различие распределений флюоресценции хлорофилла и РОВ также позволяют судить о таком влиянии. Например, по рис. 4.9 можно утверждать, что в перуанском прибрежном районе даже в водах с высоким содержанием флюоресцирующих РОВ они не мешали определениям хлорофилла. Однако этот признак не подходит большинству исследователей, поскольку их приборы не измеряют свечение РОВ. При регистрации спектров флюоресценции отличить РОВ от хлорофилла не составляет труда благодаря резким различиям их полос свечения. 6.4. Возможности флюориметрического определения загрязнений в океане Возможностям обнаружения и обследования нефтяных загрязнений океана оптическими методами посвящено немало работ. Некоторые идеи выдержали отбор лабораторными и натурными испытаниями и в настоящее время доведены до готовности к практическому использованию. К ним относятся и работы по флюориметрическому контролю загрязнений моря нефтью и нефтепродуктами. Эти работы опираются на различия характеристик свечения морской воды и характеристик свечения нефти и продуктов ее переработки. Технически самыми доступными являются различия яркости свечения нефти и нефтепродуктов на поверхности моря и яркости свечения свободной границы раздела вода–воздух. Нефть медленно смешивается с морской водой и в случае катастрофического разлива существует в виде поверхностной пленки толщиной 10-7 м и более. Чтобы оценить возможность обнаружения нефтяной пленки по яркостному контрасту флюоресценции, Абрамов с соавторами [1] предприняли натурные эксперименты с помощью несложного лидара. Источником возбуждения служил импульсный лазер с длиной волны излучения 350 нм, приемниками – пять фотометров, настроенных на участки при 400, 420, 450, 490 и 540 нм. Первый из них был предназначен для регистрации КРС воды, остальные – флюоресценции. Лидар визировал поверхность моря в надир с борта судна. Сравнивая сигналы фотометров от поверхности моря с нефтяной пленкой и без нее, авторы обнаружили, что наибольший яркостный контраст (до 5 крат) нефтяная пленка давала при 420 нм. На этом основании они предложили лазерный двухканальный индикатор загрязнения моря, сигнализирующий о появлении нефтяного загрязнения моря при изменении соотношения сигналов при 400 и 420 нм. В задаче об обнаружении нефтяных загрязнений флюоресцентные методы имеют сильного конкурента – визуальные наблюдения 181 поверхности моря с судов и летательных аппаратов. Чувствительность визуального наблюдения достаточна для обнаружения нефтяных загрязнений в виде поверхностных пленок. Имеются также лидары, построенные для их индикации по контрастам отражательной способности поверхности океана. Поэтому применение флюоресцентных приборов в тех же целях не всегда оправдано вследствие трудностей регистрации слабой флюоресценции, особенно днем на фоне солнечной засветки. Вслед за обнаружением разлива нефтепродуктов требуется определить их происхождение, источник, толщину и «возраст» поверхностной пленки и т. д. Эти задачи не под силу визуальным наблюдениям или объективным методам, основанным на измерении отражательной способности, но поддаются решению, если опираться на индивидуальные особенности физических характеристик свечения нефтепродуктов и их отличия от флюоресценции водной среды. В обзоре [14] изложены предложения такого рода и их апробация в лабораторных условиях. Остановимся лишь на результатах более поздних работ. Возможность опознания нефти на поверхности моря по спектрам испускания флюоресценции была проверена с помощью многоканального лидара (рис. 2.3) во время полетов над Атлантическим океаном [132]. Объектом наблюдений служили искусственные разливы легкой и тяжелой нефтей и пятно красителя родамина ВТ. Спектры нефтей охватывали всю видимую область, имели максимум при 500 нм, но отличались своей формой. Максимум спектра родамина лежал при 580 нм, он был уже спектров нефтей в 2– 3 раза. Полеты проводились на высотах от 180 до 450 м в безоблачные дни при состоянии поверхности океана 2 балла. Свечение нефтей и красителя уверенно фиксировалось лидаром в тех его измерительных каналах, которые отвечали спектральной полосе объекта измерений. В качестве критерия опознания сорта нефти авторы выбрали коэффициент корреляции между двумя последовательностями отсчетов во всех каналах лидара. Первую получали в лаборатории от той или иной нефти, а вторую – во время полета от каждого импульса излучения. Предполагалось, что если корреляция спектра определенного сорта нефти с полетной выборкой сигналов от 14 каналов лидара близка 1, то загрязнение обусловлено этой нефтью. Корреляция полетных спектров от разлива тяжелой нефти со спектром родамина беспорядочно колебалась около нулевого значения вдоль всей трассы длиной 1,8 км, со спектром легкой нефти была слабой отрицательной вне пленки и доходила до 0,8 в ее пределах, а со спектром тяжелой нефти была близка к нулю вне пленки и приближалась к 1 над ней, отличаясь от корреляции с легкой нефтью пониженными флюктуациями. На этих основаниях авторы предложили свою технику в качестве основы для системы автоматизированного обнаружения и идентификации аварийных разливов нефти. По-видимому, методы, основанные на сопоставлении спектров возбуждения или различиях кинетики флюоресценции нефтей и 182 нефтепродуктов, позволят не только опознавать их, но и определять «возраст» нефтяных пленок. Они быстро теряют летучие фракции (до 25 % спустя 12 ч после разлива), и, следовательно, характеристики свечения «старых» пленок должны быть иными, чем у «молодых», в соответствии с закономерностями флюоресценции нефтей разного состава (раздел 5.1). Фадеев и Чубаров [72] в лабораторном эксперименте исследовали возможность дистанционного определения толщины пленки нефтепродукта на поверхности воды, сравнивая сигналы КРС воды и флюоресценции пленки на длине волны максимума КРС. По их мнению, метод позволяет измерять пленки нефти и дизельного топлива толщиной до 100 мкм. Виссер [150] предложил определять толщину нефтяной пленки по яркости ее флюоресценции со стороны возбуждения, предварительно установив зависимость между ними на образцах нефти. Автор подтвердил возможность определения толщины пленки в лабораторном опыте, однако его способ не проверялся натурными испытаниями. Хоуг и Свифт [ПО] попытались оценивать толщину поверхностной пленки по ослаблению интенсивности КРС воды. Они вычитали спектры флюоресценции нефти и РОВ из спектра суммарного сигнала обратного рассеяния и о толщине пленки судили по соотношению истинных амплитуд сигналов КРС воды от участков моря с пленкой и без нее. Диапазон толщин пленок, определяемых этим методом на длине волны 337 нм, составлял 0,05–5 мкм. Измерив предварительно спектры показателя ослабления двух сортов нефти, авторы выполнили измерения со сканирующим лидаром во время полетов над пленками этих нефтей в океане и построили карты распределения толщины пленок. Вероятно, флюоресцентные методы применимы не только для обследования поверхностных пленок нефтепродуктов, но и для изучения углеводородов в толще моря, куда они проникают в процессе старения этих пленок или истекают со дна океана из скважин или естественных выходов нефти. Высказываниям о перспективности подобных применений подводной флюориметрии не менее 30 лет, но в литературе нет сведений о практических шагах в указанных направлениях. Эффективность флюоресцентного изучения нефтяных загрязнений ограничивается собственной флюоресценцией океана, прежде всего РОВ. Их физические характеристики весьма сходны (раздел 3.1 и 5.1). Не существует, например, спектральных интервалов, где бы не перекрывались полосы свечения РОВ и нефтепродуктов, возбуждаемые одним и тем же источником. Обнаружение пленок нефтепродуктов по контрастам яркости флюоресценции сопряжено с риском ложных тревог, поскольку горизонтальному распределению свечения РОВ присущи скачки и экстремумы, особенно на границах разнородных вод, в прибрежной зоне и предустьевых районах (раздел 3.2). Причиной ложных тревог могут быть и поверхностные пленки органических веществ естественного происхождения – слики, которые часто наблюдаются на разных акваториях в штиль или 183 при слабом волнении. Эта роль сликов еще не исследовалась. Флюоресценция РОВ выступает главным препятствием к достижению предельно высокой пороговой чувствительности дистанционных способов опознания нефтей или определения характеристик нефтяной пленки. К недостаткам флюоресцентных способов следует отнести также необходимость располагать дополнительной информацией о свойствах исследуемых нефтей или морской среды. При современном уровне знаний флюориметрические методы целесообразно применять, когда нефтяное загрязнение еще далеко от конечной стадии самопроизвольной деградации, или сочетать их с иными методами с тем, чтобы снизить вероятность ошибок в опознании объекта наблюдений. В отличие от нефтепродуктов, промышленные отходы попадают в толщу моря в виде растворов или мелкодисперсной взвеси, подвергаются быстрому разбавлению и разносятся течениями. Для оценки воздействия промышленных стоков на санитарное состояние моря требуется прежде всего определить степень разбавления отходов, направление и глубину их распространения. Баумгартнер с соавторами [86] заключили, что флюориметрические определения щелоков, сбрасываемых в море на тихоокеанском побережье США, позволят проследить за ними вплоть до 100–1000-кратного разбавления их по сравнению с начальной концентрацией. Стабильность щелоков достаточна, чтобы не требовались поправки на их самопроизвольный распад в течение 2 сут. Опираясь на несовпадение максимумов полос флюоресценции сульфитных щелоков и РОВ и аддитивность интенсивности флюоресценции разных субстанций в смеси при возбуждении ее общим источником, Альмгрен с соавторами [83] предложил флюориметрическую методику оценки соотношения концентраций этих веществ вблизи места выпуска щелоков в море. На основании (1.11) для малых концентраций щелоков в морской воде при возбуждении на длине волны 315 нм они записали Сщ = (Ф1ВРОВ – Ф2АРОВ)(АщВРОВ – ВщАРОВ)-1, СРОВ = (Ф2Ащ – Ф1Вщ)( АщВРОВ – ВщАРОВ)-1 (6.1) где Сщ и СРОВ – концентрации щелоков и РОВ; Ф1 и Ф2 – интенсивности флюоресценции при 390 нм (максимум полосы щелоков) и 430 нм (то же РОВ); А и В – параметры, зависящие от свойств аппаратуры, квантового выхода и показателя поглощения щелоков (щ) и растворенных органических веществ (РОВ). Определив А и В по измерениям флюоресценции водных растворов, содержавших щелок и РОВ в известной концентрации, авторы применили свой метод для оценки распределения отходов бумажной фабрики в заливе Балтийского моря. Метод позволил определять сульфонат лигнина в концентрации 5-10-5 % со стандартным отклонением ±25×10-7% и порогом обнаружения 1×10-6 % при концентрации РОВ 3×10-4 %. Авторы подчеркивают, что измерения поглощения света в УФ или видимой областях спектра непригодны для определения 184 загрязнений из-за высокого содержания окрашенных РОВ в водах обследованной акватории. Иозефсон и Нюквист [113] тем же методом успешно изучали распределение щелоков целлюлозной фабрики во фьорде на границе Швеции с Норвегией. Прибрежная зона Балтийского моря относится к регионам океана с наибольшим содержанием флюоресцирующих РОВ, выступающих главной помехой этому методу. Поэтому допустимо полагать, что он применим и на иных акваториях, тем более, что отходы предприятий по переработке древесины всюду имели спектры флюоресценции, отличные от спектров РОВ (раздел 3.1 и 5.2). В работах [83, 113] измерения выполнялись в пробах воды на лабораторных спектрофлюориметрах. Нет принципиальных препятствий к тому, чтобы построить зонд-флюориметр, способный регистрировать флюоресценцию в двух спектральных участках. Такой прибор существенно повысит эффективность метода, описанного в работе [83]. В целом, возможности современной техники недостаточно используются для флюориметрического контроля загрязнений моря. 6.5. Вопросы неконтактного флюоресцентного зондирования океана Морские зонды и проточные флюориметры мало отличаются от приборов для контактных измерений иных океанологических характеристик способом применения. Особенности эксплуатации морских флюориметров связаны главным образом со своеобразием способов калибровки. Поэтому при отработке методов контактного флюоресцентного зондирования океана успешно заимствовался опыт применения океанологических зондов. Работы с использованием неконтактного флюоресцентного зондирования океана (НФЗО) начались сравнительно недавно и не могли опираться на прежний опыт, так как сами методы неконтактного активного оптического исследования водных сред явились новинкой последнего десятилетия. Флюоресцентные лидары, на базе которых реализуется активное НФЗО, относятся к наиболее сложным океанологическим приборам, и потому НФЗО стоит привлекать, лишь когда более доступные методы наблюдений не обеспечивают достижение требуемого результата. Основное достоинство НФЗО – экспрессность наблюдений. Оно реализуется в полной мере при размещении флюоресцентного лидара на летающем носителе. Важность этого достоинства очевидна, когда речь идет об обнаружении объектов или явлений в океане. Но не менее существенно и то, что с внедрением лидаров на летающих носителях впервые появились технические средства быстрого и детального обследования обширных акваторий. Такое обследование позволяет изучать собственно пространственную изменчивость океанологических характеристик как раз в том интервале волновых чисел (масштабов), который недоступен судовым или 185 спутниковым средствам наблюдений. Верхний предел этого интервала определяется соотношением скорости носителя и временного и пространственного разрешения аппаратуры. Если лидар, описанный в работе [132], применять в том же режиме, как и в опытах по опознанию нефти, то этот предел составит 10-1 м-1. С учетом скорости и продолжительности полетов можно принять, что поперечник акваторий, доступных лидарному обследованию, достигает 105 м, так что нижний предел волновых чисел активного НФЗО лежит в области 10-4–10-5 м-1. Скорость летающих носителей на два порядка превышает скорости течений в поверхностном слое океана, благодаря чему лидарное обследование акваторий с поперечником 105 м будет практически мгновенным относительно собственных движений вод океана. Серия облетов подобной акватории в принципе позволяет получить оценки характеристик распределений океанологических величин в интервале волновых чисел 10-1–10-4 м-1 и периодов нескольких часов и более. Такие наблюдения требуются при изучении воздействия механических возмущений водной среды на распределение фитопланктона и других практически важных субстанций, для осуществления опытов по исследованию диффузии примесей в море, при проведении подспутниковых наблюдений и т. д. Но чтобы НФЗО с летающих носителей было действительно способно заполнить пробел в средствах изучения мезомасштабных явлений в океане, оно должно базироваться на лидарах, работоспособных длительное время в разнообразных гидрометеорологических условиях. Солнечное излучение, состояние поверхности моря и оптические свойства приводного слоя атмосферы прямо влияют на работу лидаров в указанном интервале волновых чисел. Солнечное излучение, рассеянное морем в атмосферу и попавшее на приемник лидара, может породить систематические и увеличить случайные погрешности измерений. Все современные флюоресцентные лидары работают в видимой области, где солнечная помеха особенно велика. Сужение спектрального интервала регистрации флюоресценции малоэффективно из-за значительной ширины ее спектральных полос. Опыт натурных применений лидаров показал, что влияние солнечного фона устранимо, если свечение моря возбуждается импульсами мощностью 105–106 Вт, и приемник включается в тот момент, когда импульс флюоресценции от моря достигает высоты лидара (стробирование приемника). Поэтому большинство новейших лидаров построено на основе мощных импульсных лазеров и приемников со стробированием сигнала. Волнение, наличие сликов и пены на поверхности моря меняют условия прохождения возбуждающего излучения и флюоресценции сквозь границу раздела вода–воздух, смещая оценки средних и увеличивая дисперсию сигнала лидаров. К тем же последствиям приводят неоднородность и непостоянство прозрачности атмосферы между лидаром и морем. Влияние этих источников погрешностей НФЗО устраняют, используя КРС воды как внутренний, стандарт (раздел 2.3). Такой прием представляется тем радикальным сред186 ством, которое позволяет обойти главные препятствия на пути к превращению лидаров в измерительные комплексы для количественных определений разных веществ в поверхностном слое океана. Возможность регистрации КРС воды предусмотрена устройством почти всех отечественных и зарубежных лидаров, построенных за последние годы. Однако практическое использование КРС воды в качестве внутреннего репера наталкивается на ряд трудностей. Пригодность КРС воды как внутреннего репера неодинакова в различных спектральных участках и зависит от соотношения спектральных характеристик источников возбуждения и флюоресценции объекта наблюдений. При обследовании нефтяных пленок выгодно возбуждать их флюоресценцию в УФ-области спектра. Но здесь оптическая плотность нефтей особенно велика, и уже при толщине их пленок в несколько микрометров возбуждающее УФизлучение почти полностью затухает в пленке, не достигая подстилающей толщи морской воды. Этот эффект хорошо проявился на синхронных записях КРС и флюоресценции, сделанных во время полетов над нефтяной пленкой (рис. 6 в [132]) и предложен в качестве основы неконтактного определения ее толщины [110]. Не исключено, что в какой-то степени сигнал КРС воды, регистрируемый лидаром, гасят и поверхностные пленки органических веществ естественного происхождения (слики), поскольку поглощение света такими веществами быстро растет с уменьшением длины волны оптического излучения. Влияние сликов на сигнал КРС воды не изучалось. При лидарном определении количества примесей, распределенных в толще моря, важным условием пригодности КРС воды как внутреннего репера выступает постоянство соотношения показателей ослабления света (прозрачности) морской водой в спектральных интервалах КРС воды и флюоресценции определяемой примеси. Спектр показателя ослабления (ПО) морской воды чаще всего представляет собой гладкую кривую с единственным минимумом при 470–490 нм в самых прозрачных водах открытого океана и при 540– 570 нм – в мутных водах внутренних морей и прибрежной зоны. В зависимости от соотношения концентрации и состава окрашенных частиц и РОВ и светорассеивающей взвеси скорость изменения ПО с длиной волны по обе стороны от минимума варьирует в широких пределах. Там, где много крупных частиц, спектры ПО уплощаются. Если взвеси мало, но велико содержание окрашенных РОВ, ПО быстро растет с уменьшением длины волны в коротковолновой (по отношению к минимуму ПО) области спектра. В тех же водах велика крутизна спектра ПО и в длинноволновой области (540–550 нм и более) из-за сильного поглощения длинноволновой радиации водой как таковой [81]. Намерение использовать КРС воды как внутренний репер при возбуждении хлорофилла на длине волны 337 нм [132] может привести, например, к следующим ошибкам. Стоксовский сателлит КРС от линии 337 нм лежит при 381 нм, 187 тогда как хлорофилл регистрируется при 685 нм. Здесь на прозрачность зондируемой толщи в области реперного свечения и исследуемой флюоресценции влияют совершенно различные примеси, причем они гораздо более изменчивы на участке реперного свечения. Поэтому КРС воды в лидаре типа [132] при измерениях концентрации хлорофилла сработает как внутренний репер только на акваториях с однородным горизонтальным распределением взвешенных частиц и РОВ. Это замечание в той или иной степени относится ко всем тем лидарам, у которых спектральные участки реперного свечения и исследуемой флюоресценции расположены по разные стороны от минимума спектра ПО. При лидарном определении щелоков или хлорофилла, возбуждаемого в полосах поглощения дополнительных пигментов, репер и флюоресценция расположены одинаково относительно минимума ПО, и потому постоянство соотношения прозрачности воды в их спектральных участках будет определяться постоянством крутизны коротковолнового (щелоки) и длинноволнового (хлорофилл) крыльев спектра ПО. В последнем случае прозрачность воды на участках репера (651 нм, если хлорофилл возбуждается при 532 нм [71] ) и хлорофилла будет меняться вслед за содержанием крупной взвеси не совсем одинаково, так как постоянное поглощение света чистой водой дает больший вклад в ПО на спектральном участке флюоресценции хлорофилла, чем на участке реперного свечения. Эффективность калибровки лидаров по КРС воды зависит также от концентрации флюоресцирующих РОВ в подповерхностном слое. Дело в том, что стоксовский сателлит КРС, который отстоит на 3440 см-1 от линии возбуждения и служит обычно репером, оказывается в пределах полосы свечения РОВ во всем диапазоне возбуждения флюоресценции морской среды с помощью лазеров, применяемых ныне в составе флюоресцентных лидаров. Линия КРС с длиной волны 381 нм, служащая репером в лидарах с азотным лазером (самым коротковолновым из тех, что уже используются в лидарах), накладывается на коротковолновое крыло спектра флюоресценции РОВ с максимумом при 420 нм. Реперная линия КРС с длиной волны 651 нм в лидарах с лазером на алюмо-иттриевом гранате (самым длинноволновым) накладывается на длинноволновое крыло полосы РОВ, возбуждаемой на 532 нм второй гармоникой излучения этого лазера. Сам факт взаимного наложения полос свечения РОВ и КРС воды был обнаружен посредством ламповых спектрофлюориметров при изучении спектральных закономерностей флюоресценции РОВ (раздел 3.1 и [37, 90 и др.]). Поскольку эффективность возбуждения флюоресценции РОВ убывает с длиной волны (раздел 3.1), при прочих равных условиях добавка флюоресценции РОВ к КРС воды следует той же закономерности, будучи особенно заметной в УФобласти спектра. По этой причине использование единственного спектрального участка для регистрации реперного излучения КРС при 381 нм [132] представляется допустимым лишь в водах 188 открытого океана с предельно низким содержанием РОВ. На остальных акваториях добавку флюоресценции РОВ к КРС надо учитывать, иначе она внесет произвольные изменения в реперный сигнал из-за непостоянства содержания РОВ в зондируемой толще (раздел 3.2). Это нетрудно сделать, если лидаром регистрируется свечение моря в виде спектра с разрешением в несколько нанометров и интенсивность флюоресценции РОВ на длине волны КРС сравнима или уступает интенсивности комбинационного рассеяния. В таком случае на фоне широкого спектра флюоресценции РОВ хорошо видна более узкая полоса КРС, и ее истинную интенсивность нетрудно найти, графически или численно интерполируя контур свечения РОВ на длину волны КРС и вычитая результат интерполяции из суммарного сигнала при той же длине волны. Условия, благоприятные для этой процедуры, реализуются на большей части акватории Мирового океана. Однако там, где много флюоресцирующих РОВ (Балтийское море, перуанский прибрежный район и другие высокопродуктивные акватории), их свечение заметно ярче КРС, и определение истинной его интенсивности будет отягощено большими погрешностями вследствие необходимости вычитать из суммарного сигнала близкое к нему значение интенсивности флюоресценции РОВ. Закономерности распределения оптических свойств Мирового океана таковы, что калибровка флюоресцентных лидаров по КРС воды оказывается уязвимой в шельфовой зоне, предустьевых районах, апвеллингах и т. п. районах, т. е. как раз там, где применение лидаров на летательных аппаратах легче осуществить благодаря близости береговых баз и где особенно необходимы экспрессные всепогодные средства изучения мезомасштабных явлений и контроля санитарного состояния моря. Использование флюоресцентных лидаров на плавающих средствах сводит к минимуму влияние атмосферы, но к остальным погодным факторам добавляет зависимость показаний лидара от качки и крена судна, вызывающих непостоянство дальности трассы лидар–вода– лидар (раздел 2.3). Эта зависимость также учитывается калибровкой по КРС. В судовом варианте НФЗО недостатки последней могут оказаться менее существенными, поскольку океанологические наблюдения с исследовательских судов чаще ведутся на акваториях открытого океана, где воды сравнительно прозрачны и их оптические характеристики не столь изменчивы, как в прибрежных регионах. Серьезным ограничением работоспособности судовых лидаров является влияние погодных условий на состояние поверхности тех оптических элементов аппаратуры, сквозь которые возбуждающее излучение посылается к поверхности моря и его флюоресценция проникает в приемник лидара. В отсутствие дождя и в штиль наружные поверхности этих элементов покрываются росой вслед за колебаниями температуры и влажности воздуха. При свежем ветре, килевой и бортовой качке судна приводный слой атмосферы 189 около судна насыщается капельками морской воды, они оседают на надстройке судна и, испаряясь, оставляют корку соли. Роса и отложения солей на оптике лидара способны увеличить потери на границе раздела стекло–воздух и нарушить юстировку лидара вплоть до полного исчезновения сигнала от толщи моря. Указанные факторы учитываются калибровкой по КРС лишь на самой начальной стадии загрязнения наружных оптических поверхностей лидара. Видимо, единственный способ избежать зависимости показаний судового лидара от этих факторов состоит в том, чтобы снабдить его устройствами для чистки наружных поверхностей оптики лидара. Из-за недостатка знаний о пространственно-временной изменчивости оптических свойств поверхностного слоя моря, ограниченности опыта эксплуатации лидаров и большого разнообразия их устройства, конфигурации и способов применения не представляется возможным сделать обоснованные количественные оценки влияния внешних факторов на возможности НФЗО. Необходимость учитывать их влияние зависит также от требований к погрешностям конечного результата наблюдений. Наряду с влиянием погодных условий и других внешних факторов широкому применению НФЗО препятствуют высокая стоимость и сложность самих лидаров, необходимость привлечения высококвалифицированного персонала для их эксплуатации, ограниченный выбор лазеров, подходящих по своим характеристикам и работоспособным на подвижных носителях, и ряд других обстоятельств. Однако подобные препятствия не принципиальны и отомрут с развитием техники. Пока неизвестны применения НФЗО, в которых были бы полностью реализованы достоинства метода и преодолены основные трудности, возникающие при его внедрении. К этому идеалу ближе всего подошли работы [100, 111], в которых с помощью лидаров на летающих носителях были получены данные о распределении и составе фитопланктона, недоступные контактным методам. Работы по лидарному контролю загрязнений моря нефтью доведены до успешной демонстрации некоторых возможностей НФЗО на искусственных объектах в натурных условиях [132 и др.]. Остальные потенциальные применения НФЗО находятся на стадии теоретических и экспериментальных разработок. Реальную ценность метода НФЗО для освоения океана удастся выяснить лишь после нескольких лет систематического использования флюоресцентных лидаров для решения актуальных задач различных направлений океанологических исследований. ЗАКЛЮЧЕНИЕ За последнее десятилетие о флюоресценции в океане узнали больше, чем за предшествовавший период с момента ее обнаружения в 1923 г. Особенно продвинулось ее практическое использование. Тем не менее не исчерпано ни одно из сложившихся направлений по изучению флюоресценции моря и ее применениям в освоении океана. Остаются неизвестными полные спектральные характеристики флюоресценции РОВ, т. е. зависимость интенсивности свечения от длин волн возбуждения и флюоресценции в интервале 200—700 нм. Все еще не изучены ее кинетика, квантовый выход и поляризация. Не определялись физические характеристики флюоресценции фотосинтетических пигментов, которые присущи реальным популяциям фитопланктона и могут быть найдены только по измерениям в водной толще. Они наверняка позволят узнать много нового о первичном биологическом продуцировании в океане. Некоторые успехи достигнуты в изучении изменчивости и распределения флюоресценции в деятельном слое и термоклине, но относительно флюоресценции в промежуточном и придонном слоях океана наши знания ограничиваются малочисленными разрозненными оценками интенсивности свечения. Между тем систематические измерения флюоресценции могут оказаться ценным источником информации о переносе и преобразовании органического вещества в придонном слое, поскольку такие процессы активизируются вблизи границ разделов сред и фаз и нуждаются в обследовании экспрессными методами. Не завершено изучение характеристик флюоресценции нефтей и нефтепродуктов, особенно их изменений под влиянием факторов среды. Подобные знания требуются тем, кто занят развитием средств охраны морской среды от загрязнения. Даже возможности метода натурного моделирования диффузии примесей в море с помощью трассеров — «ветерана» океанологических применений флюоресценции — использованы еще далеко не полностью. Перспективы дальнейшего развития исследований и применения флюоресценции в океане не ограничиваются заполнением пробелов в сложившихся направлениях. Кроме фотосинтетических пигментов и РОВ, в морской воде содержатся иные вещества естественного происхождения, заведомо обладающие способностью флюоресцировать и потому в принципе доступные люминесцентному определению в толще океана. К ним относятся детрит, терригенные взвешенные частицы, природные углеводороды, ткани растений и животных и др. Поисковые работы по изучению их флюоресценции представляют интерес для решения задач, связанных с трансформацией органогенного материала и формированием минеральных ресурсов океана. Новым применением флюориметрии 191 обещает сделаться регистрация свечения хлорофилла на промысловых судах с целью выявления скоплений планктона — первичного корма рыб. Первые попытки такого рода уже сделаны сотрудниками АтлантНИРО МРХ СССР на базе разработок Атлантического отделения ИОАН. С появлением приборов, сочетающих погружаемый флюориметр с устройством для ввода реагентов в его рабочий объем [51], открылась перспектива экспрессного химического флюоресцентного анализа морской воды и управляемого воздействия на оптические свойства флюоресцирующих примесей. Подобная техника позволит, например, перенести прижизненную обработку фитопланктона детергентами из лаборатории в толщу моря и тем самым расширить возможности определения фотосинтетических пигментов и изучения физиологического состояния водорослей. Весьма многообещающим представляется прогресс океанологических применений флюориметрии, базирующихся на явлениях флюоресценции, которые возникают при взаимодействии мощного когерентного излучения с веществом в морской среде. Возможности наблюдения таких явлений непосредственно в толще моря зависят от успехов развития лазерной техники. Вообще, решение многих вопросов океанологической флюориметрии упирается в отсутствие или недостатки технических средств. Создание всепогодных флюоресцентных лазерных лидаров и компактных зондов-флюориметров убеждает в том, что эти трудности непринципиальны. Развитие перечисленных направлений требует дополнить эти приборы измерительными системами для синхронной регистрации флюоресценции нескольких веществ на многих горизонтах, глубоководными зондами-флюориметрами и погружаемыми измерителями физических характеристик флюоресценции. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Абрамов О. И., Еремин В. И., Карлсен Г. Г. и др. Исследование поверхностного слоя морской воды методом неконтактного лазерного зондирования.— В кн.: Оптика моря. М., Наука, 1983, с. 178—182. 2. Абрамов О. И., Еремин В. И:, Лобов Л. И. и др. Результаты лабораторных исследований спектров стоксова излучения пленок нефти и ди зельного топлива на поверхности воды.— Океанология, 1983, т. 23, вып. 6, с. 1049—1053. 3. Айвазян С. А. Статистическое исследование зависимостей.— М.: Металлургия, 1968.— 227 с. 4. Биркс Дж., Манро И. Времена жизни флуоресценции ароматических молекул.—УФН, 1971, т. 108, вып. 2, с. 251—308. 5. Бубнов В. А. Вертикальный турбулентный обмен в океане вблизиэкватора.— Труды ИОАН, 1975, т. 102, с. 47—61. 6. Верболов В.И., Журбас В.М., Карабашев Г.С. и др. Трассерные эксперименты с красителями в режиме квазистационарного источника.—В кн.: Течения в Байкале. Новосибирск, Наука, 1977, с. 53—62. 7. Георгиев Г., Николов Ж., Стаменов К. и др. Флуоресцентный анализ органических веществ в водных средах при возбуждении излучением азотного лазера.— В кн.: Тезисы III конф. по люминесценции, Сегед (ВНР), 1979, с. 159—162. 8. Горюнова С.В. Особенности процессов автолиза у диатомовых водорослей.—Труды Ин-та микробиологии АН СССР, 1958, т. 5, с. 199—205. 9. Грудинкина Н.П. Поглощение ультрафиолетового излучения водой.— Оптика и спектроскопия, 1956, т. 1, вып. 5, с. 658—660. 10. Демидов А.А., Баулин Е.В., Фадеев В.В., Шур Л.А. Применение лазерной спектрофлуориметрии для измерения концентрации пигментов морского фитопланктона.—Океанология, 1981, т. 21, вып. 1, с. 174—179. 11. Дунии-Барковский И.В., Смирнов Н.В. Теория вероятностей и математическая статистика в технике.— М.: Гостехиздат, 1955. 556 с. 12. Ерлов Н.Г. Оптика моря. Пер. с англ.— Л.: Гидрометеоиздат, 1980.—247 с. 13. Иванов А. Введение в океанографию. Пер. с фр.— М.: Мир, 1978.— 574 с. 14. Иванов А.П., Калинин И.И., Колесник А.И. Применение лазеров в океанологических исследованиях.— Журнал прикладной спектроскопии, 1982, т. 37; вып. 4, с. 533—550. 15. Каменкович В.В., Корт В.Г., Монин А.С. Изменчивость Мирового океана.— Л.: Гидрометеоиздат, 1974.— 261 с. 16. Карабашев Г.С. Фотоэлектрический подводный флуориметр.—Труды ИОАН, 1965, т. 77, с. 110—115. 17. Карабашев Г.С. К методике исследования фотолюминесценции морской воды.— Океанология, 1970, т. 10, вып. 5, с. 883—887. 18. Карабашев Г.С. Индикация течения к востоку от о. Мадагаскар по данным флуориметрических измерений.— В кн.: Гидрофизические и оптические исследования в Индийском океане. М., Наука, 1975, с. 93—95. 19. Карабашев Г.С. Особенности флуоресценции и рассеяния света в океане при интенсивном вертикальном перемешивании и подъеме вод.— Океанология, 1977, т. 17, вып. 2, с. 312—318. 20. Карабашев Г.С. О типах и характеристиках вертикального распределения интенсивности флуоресценции пигментов фитопланктона в деятельном слое океана.—Океанология, 1979, т. 19, вып. 2, с. 468—475. 21. Карабашев Г.С. Об излучательном времени жизни флуоресценции органических веществ, растворенных в морской воде.—ДАН СССР, 1979, т. 224, № 5, с. 1232-1234. 13 Заказ № 698 193 22. Карабашев Г.С, Агатова А.И. О соотношении флуоресценции и концентрации растворенных органических веществ в водах океана.— Океанология, 1984, т. 24, вып. 6, с. 906—909. 23. Карабашев Г.С, Бекасова О.Д. О соотношении между концентрацией и люминесценцией пигментов океанического фитопланктона.— В кн.: Гидрофизические и оптические исследования в Индийском океане. М., Наука, 1975, с. 95—98. 24. Карабашев Г.С, Зангалис К.П., Соловьев А.Н., Якубович В.В. Новые данные о фотолюминесценции морской воды.— Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1971, т. 7, № 1, с. 60—68. 25. 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. 26. Карабашев Г.С, Зангалис К.П. Спектрофлюориметр для исследования люминесценции морской воды.— Океанология, 1973, т. 13, вып. 6, с. 1114—1117. 27. Карабашев Г.С, Зангалис К.П. Поглощение ультрафиолетового излучения и люминесценции веществ, растворенных в морской воде.—№ 575—74Деп., М., ВИНИТИ. Реф.: Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1974, т. 10, № 7, с. 801— 802. 28 Карабашев Г.С, Соловьев А.Н. Буксируемый измеритель концентрации люминесцентных индикаторов в море.— Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1968, т. 4, № 12, с. 1331—1333. 29. Карабашев Г.С, Соловьев А.Н. Импульсный погружаемый флюориметр ИПФ-70 для морских исследований.— Океанология, 1973, т. 13, вып. 2, с. 361—366. 30. Карабашев Г.С, Соловьев А.Н. Фотолюминесценция морской воды как индикатор динамических процессов в океане.— Океанология, 1973, т. 13, вып. 4, с. 597—601. 31. Карабашев Г.С, Соловьев А.Н. Закономерности пространственного распределения интенсивности фотолюминесценции морской воды.— № 574—74Деп. М., ВИНИТИ. Реф.: Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1974, т. 10, № 8, с. 898—899. 32. Карабашев Г.С, Соловьев А.Н. Закономерности формирования вертикального распределения интенсивности флуоресценции растворенных органических веществ в деятельном слое океана.— Труды ИОАН, 1975, т. 102, с. 89—93. 33. Карабашев Г. С, Соловьев А. Н. Закономерности пространственновременной изменчивости интенсивности флуоресценции пигментов в клетках живого фитопланктона.—Труды ИОАН, 1975, т. 102, с. 153—164. 34. Карабашев Г.С, Соловьев А.Н. Суточный ритм флуоресценции хлорофилла фитопланктона в деятельном слое океана.— Океанология, 1976, т. 16, вып. 2, с. 316—323. 35. Карабашев Г.С, Соловьев А.Н. О флуоресценции глубоководных рассолов Красного моря.—ДАН СССР, 1977, т. 237, № 4, с. 815—817. 36. Карабашев Г.С, Соловьев А.Н. О связи максимумов интенсивности флуоресценции пигментов фитопланктона с положением сезонного пикноклина.— Океанология, 1978, т. 18, вып. 4, с. 709—715. 37. 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. 38. Карабашев Г.С, Соловьев А.Н., Якубович В.В. О влиянии гидрологических условий на оптические характеристики деятельного слоя океана.—Океанология, 1974, т. 14, вып. 4, с. 623—630. 39. Карабашев Г.С, Ханаев С.А. Распределение флуоресценции хлорофилла вблизи температурного фронта в Балтийском море.— Океанология, 1983, т. 23, вып. 5, с. 857—863. 40. Карабашев Г.С, Якубович В.В., Тимошевский А.А. О создании лазерного лидара для регистрации флуоресценции невозмущенной поверхности океана с движущегося судна.—В кн.: Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов.— Тезисы докл., Таллин, 1980, с. 32—36. 194 41. Каралис В.М., Корнеева Э.А. Аппаратура для флуоресцентного анализа.— М.: Изд. Госстандарта при СМ СССР, 1970.— 208 с. 42. Карнаухов В.Н., Яшин В.А. Спектральные исследования морского микропланктона.— Препринт. Пущино, Ин-т биофизики, 1980.— 58 с. 43. Кахру М. Связь глубин максимумов хлорофилла с вертикальной структурой поля плотности в Балтийском море.— Океанология, 1981, т. 21, вып. 1, с. 112—117. . 44. Кахру М. Пространственная изменчивость концентрации хлорофилла в прибрежных водах Балтийского моря.— Океанология, 1981, т. 21, вып. 5, с. 879—881. 45. Кобленц-Мишке О.И., Волковинский В.В., Кабанова Ю.Г. Первичная продукция планктона Мирового океана.—В кн.: Программа и методика изучения биогеоценозов водной среды. М., Наука, 1970, с. 47—53. 46. Кобленц-Мишке О.И., Семенова М.А. Пигменты фитопланктона мезотрофных и эфтрофных районов тропической Пацифики.— Труды ИОАН, 1975, т. 102, с. 131—139. 47. Козлянинов М.В., Копелевич О.В., Очаковский Ю.Е., Пелевин В.Н. Современные проблемы оптики моря.—В кн.: Теоретические и прикладные проблемы рассеяния света. Минск, Наука и техника, 1971,с. 404—431. 48. Коновалов Б.В., Мордасова Н.В. Методы количественного анализа содержания фотосинтетических пигментов морского фитопланктона.—М.: ЦНИИТЭИРХ, 1970.—39 с. 49. Копелевич О.В. «Желтое вещество» в океане по оптическим данным.— Океанология, 1982, т. 22, вып. 2, с. 214—219. 50. Копелевич О.В., Русанов С.Ю., Носенко Н.М. Поглощение света морской ВОДОЙ.— В кн.: Гидрофизические и гидрооптические исследования в Атлантическом и Тихом океанах. М., Наука, 1974, с. 107—113. 51. Лапшин А.И., Трохан А.М. Погружной проточный флуориметр.— Океанология, 1984, т. 24, вып. 2, с. 352—357. 52. Лила А.Н. О горизонтальной изменчивости поля флуоресценции на Балтике.— В кн.: Пространственно-временные структуры гидрохимических и гидрофизических характеристик морей. Тезисы докл. Таллин, 1981. 53. Лила А.Н., Xанаев С.А. Двухканальный проточный флуориметр ДПФ-81 для морских исследований.— Океанология, 1983, т. 23, вып. 5, с. 897—900. 54. Люцарев С.В. Измерение флуоресценции морской воды.— В кн.: Методы рыбохозяйственных химико-океанографических исследований. Ч. 1. М., ВНИРО, 1968, с. 158—172. 55. Люцарев С.В. Методика исследования свойств флуоресцирующих соединений морской воды.— В кн.: Методы рыбохозяйственных химико-океанографических исследований. Ч. 2. М., ВНИРО, 1968, с. 69—91. 56. Люцарев С.В. Флуоресценция морской воды как метод гидрохимического исследования.— В кн.: Методы рыбохозяйственных химикоокеанографических исследований. Ч. 2. М., ВНИРО, 1968, с. 59—69. 57. Люцарев С.В., Миркина С.Д., Романкевич Е.А., Сметанкин А.В. Растворенный органический углерод и фосфор в водах восточной части экваториального района Тихого океана.—Труды ИОАН, 1975, с. 102, с. 70—75. 58. Люцарев С.В., Горшкова О.М., Чубаров В.В. Исследование растворенного коллоидного органического вещества морских и иловых вод методом лазерной флуориметрии.— Океанология, 1984, т. 24, вып. 1, с. 95—101. 59. Монин А.С, Озмидов Р.В. Турбулентность в океане.— В кн.: Океанология. Т. 1. Гидрофизика океана. М., Наука, 1978, с. 148—207. 60. Мордасова Н.В. Распределение хлорофилла «а» в Мировом океане.—М.: ЦНИИТЭИРХ, 1976.—49 с. 61. Неуймин Г.Г., Сорокина Н.А. О корреляции между вертикальными распределениями оптических и гидрологических характеристик в океане.— Океанология, 1976, т. 16, вып. 3, с. 441—451. 13* 195 62. Паркер С. Фотолюминесценция растворов. М.: Мир, 1972. 510 с. 63. Прингсхейм П. Флуоресценция и фосфоресценция. Пер с англ. М.:Изд-во иностр. лит-ры, 1951.— 548 с. 64. Романкевич Е.А. Геохимия органического вещества в океане.—М.: Наука, 1977.—256 с. 65. Скопинцев Б.А. Органическое вещество в океане.— В кн.: Успехи советской океанологии. М., Наука, 1979, с. 64—86. 66. Соловьев А.Н. Об особенностях распределения флуоресценции органического вещества в водах течения Ломоносова.— ДАН СССР, 1980, т. 251, № 6, с. 1508—1600. 67. Соловьев А.Н., Гринберг В.М. Некоторые особенности пространственновременной изменчивости флуоресценции в водах деятельного слоя.— В кн.: Биогидрохимия северо-западной части Индийского океана. М., Наука, 1981, с. 126— 130. 68. Терских В.А. О связи между гидрооптическими характеристиками и оптической плотностью морской воды в коротковолновой УФ области спектра. В кн.: Физические методы исследования океана. Владивосток, 1973, с. 26—32. 69. Туманцева Н.И., Сорокин Ю.И. Микрозоопланктон экваториальной дивергенции в восточной части Тихого океана.— Труды ИОАН, 1975, т. 102, с. 206— 212. 70. Фадеев В.В. Дистанционное лазерное зондирование фотосинтезирующих организмов.— Квантовая электроника, 1978, т. 5, № 10, с. 2221—2226. 71. Фадеев В.В., Клышко Д.Н., Рубин Л.Е. и др. Анализ состава водных сред методом флуоресценции и комбинационного рассеяния света.— В кн.: Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов. Новосибирск, Наука, 1979, с. 87— 89. 72. Фадеев В.В., Чубаров В.В. Количественное определение нефтепродуктов в воде методами лазерной спектроскопии.— ДАН СССР, 1981, т. 261, № 2, с. 342—346. 73. Федоров К.Н. Оценка скорости подъема вод на экваторе.— Труды ИОАН, 1975, т. 102, с. 41—46. 74. Федоров К.Н. Физическая природа и структура океанических фронтов.— Л.: Гидрометеоиздат, 1983.— 296 с. 75. Федоров К.Н., Бубнов В.А., Прохоров В.И., Осадчий А.С. Гидрофизические условия в перуанском прибрежном районе.—Труды ИОАН, 1975, т. 102, с. 51—55. 76. Финенко 3.3., Ланская Л.А. Скорость роста фитопланктона в экваториальном районе Пацифики.— Труды ИОАН, 1975, т. 102, с. 123—130. 77. Фишер Я., Карабашев Г.С. Сравнение данных кондуктометрического определения крупности взвеси и измерения ее оптических свойств.—Труды ИОАН, 1975, т. 102, с. 85—88. 78. Флоровская В.Н. Люминесцентно-битуминологический метод в нефтяной геологии,—М.: Изд. МГУ, 1957.—291 с. 79. Франк Н.А., Сидько Ф.Я., Луканев А.В., Апонасенко А.Д. Погружные однои двухлучевые флуориметры ПФл-1 и ПФл-2.—В кн.: Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов. Новосибирск, Наука, 1979, с. 300—303. 80. Хит О. Фотосинтез. Пер. с англ. М.: Мир, 1972.— 314 с. 81. Шифрин К. С, Копелевич О.В. Поглощение света морской водой.— В кн.: Океанология. Физика океана. Т. 1. Гидрофизика океана. М., Наука, 1978, с. 347—349. 82. Щербинин А.Д. Структура и циркуляция вод Индийского океана.— Л.: Гидрометеоиздат, 1976.— 92 с. 83. Almgren Т., Josefson В., Nyquist G.A Fluorescence method for the studies of spent sulfite liquor and humic substances in sea water.— Analytica Chimica Acta, 1975, vol. 78, p. 411—422. 84. Armstrong F.A.J., Воa1сh G.T. The ultraviolet absorption of sea water.—J. Mar. Biol. Assoc. UK, 1961, vol. 41, p. 597—598. 196 85. Armstrong F.A.J., Williams P.M., Strickland J.D.H. Photooxidation of organic matter in sea water by ultraviolet radiation, analytical and other application.— Nature, 1966, N 5048, p. 481—483. 86. Baumgartner D.J., Feldman M.H., Gibbons С.L.A Procedure for tracing of kraftmill effluent from an ocean outfall by constituent fluorescence.—Water Res., 1971, vol. 5, p. 533—544. 87. В1asсо D. Estudio de las variaciones de la relacion fluorescencia in vivo/clorofila а, у su aplicaci6n en oceanografia.— Inv. Pesq., 1973, vol. 37(3), p. 533— 556. 88. Brown J.S. Forms of chlorophyll in vivo.— Ann. Rev. Plant Physiol., 1972, vol. 23, p. 73—86. 89. Brown M. Transmission spectroscopy investigations of natural waters.— Rep. Inst. Fysisk Oceanografi Univ. Copenhagen, 1974, N 28, p. 31. 90. Brown M. Laboratory measurements of fluorescence spectra of Baltic waters,— Rep. Inst. Fysisk Oceanografi Univ. Copenhagen, 1974, N 29, p. 21. 91. Сapelle G.A., Franks L.A. Laboratory evaluation of two laser fluorosensor systems.—Appl. Optics, 1979, vol. 18, N 21, p. 3579—3586. 92. Carpenter J. Tracer for circulation and mixing in natural waters.— Public Works, 1960, vol. 91, N 6, p. 83—90. 93. Denman K. Covariability of chlorophyll and temperature in the sea.— Deep-Sea Res., 1976, vol. 23, p. 527—538. 94. Denman K. Short term variability in vertical chlorophyll structure.— Limnol. Oceanogr., 1977, vol. 22, N 3, p. 434—441. 95. Denman K., Herman A.W. Space-time structure of a continental shelf ecosystem measured by a towed porpoising vehicle.— J. Mar. Res., 1978, vol. 36, N 4, p. 693—714. 96. Dоrsсh J.E., Вid1eman T.F. Natural organics as fluorescent tracers of river-sea mixing.— Estuarine, Coastal and Shelf Sci., 1982, vol. 15, p. 701—707. 97. Duursma E.K., Rommets J.W. Interpretation mathematique de la fluorescence des eaux douce, saumatre et marine.— Neth. J. Sea Res., 1961, vol. 1, p. 393—405. 98. Egan W. Measurements of the fluorescence of Gulf Stream water with submerged in situ sensors.—MTS J., 1974, vol. 8, N 10, p. 40—47. 99. Ewаrt Т.Е., Вendiner W.P. Techniques for estuarine and open ocean dye disposal measurement.— Rapp. P.— v. Reun. Cons. Int. Explor. Mer.,1974, vol. 167, Dec. 100. Farmer F.H., Vargo G.A., Brown СA., Jarret O. Spatial distribution of major phytoplankton community components in Narraganset Bay at the peak of the winter-spring bloom.—J. Mar. Res., 1982, vol. 40, N 3, p. 593—614. 101. Fasham M.J., Pugh P.R. Observations on the horizontal coherence of chlorophyll "a" and temperature.—Deep-Sea Res., 1976, vol. 23, p. 539—550. 102. Fasham M. J., Platt Т., Irwin В., Jones K. Factors affecting the spatial pattern of the deep chlorophyll maximum in the region of the Azoresfront.—Progr. in Oceanogr., 1985, vol. 14, p. 129—165. 103. Feuerstein D.L., Selleck R.E. Fluorescent tracers for dispersion measurements.—J. Sanitry Eng. Div. Proc. Am. Soc. Civil Eng., 1963, Sa 4, August. 104. Früngel F., Koch С. Practical experience with the Variosence equipment in measuring chlorophyll concentrations and fluorescent tracer substances, like rhodamin, fluoresceine and some new substances.—IEEE J. of Oceanic Eng., 1976, vol. OE 1, N 1, p. 21—32. 105. Gienapp H. Quantum corrected ("True") fluorescence emission spectra of filtered water from the Elbe mouth.—Dt. Hydrogr. Zs., 1979, Jg. 32, H. 5, S. 205—210. 106. Glooschenko W.A., Curl H., Jr., Small L.F. Diel periodicity of chlorophyll a concentration in Oregon coastal waters.— J. Fish. Res. Board Can., 1972, vol. 29, N 9. 107. Grill E.V., Richards F.A. Nutrient generation from phytoplankton decomposing in sea water.— J. Mar. Res., 1964, v. 22, N 1. 197 108. Herbland A., Voituriez В. Relation chlorophyll "a"—fluorescence in vivo dans L'Atlantique tropical influence de la structure hydrologique.—Cah. ORSTOM, ser. Oceanogr., 1977, vol. 15, N 1, p. 67—77. 109. Herman A.W., Denman K. Rapid underway profiling of chlorophyll with an in situ fluoremeter mounted on a "Batfish" vehicle.— Deep-Sea Res., 1977, vol. 24, N 4, p. 385—397. 110. Hoge F.E., Swift R.N. Oil film thickness measurements using airborne laserinduced water Raman backscatter.— Appl. Optics, 1980, vol. 19, N 19,p. 3269—3281. 111. Hoge F.E., Swift R.N. Airborne dual laser excitation and mapping of phytoplankton photopigments in a Gulf Stream warm core ring.—Appl. Optics, 1983, vol. 22, N 15, p. 2272—2281. 112. Ivanoff A. Au sujet de la fluorescence des eaux de mer.— С R. Acad. Sci., 1962, vol. 254 (24), p. 4190—4192. 113. Josefsson В., Nyquist G. Fluorescence tracing of the flow and dispersion of sulfite wastes in a fiord system.— AMBIO, 1976, vol. 5, N 4, p. 183—187. 114. Joseph J., Sendner H., Weidemann H. Untersuchungen über die horizontale Diffusion in der Nordsee.—Dt. Hydrogr. Zs., 1964, Bd. 17, H. 2. 115. Kahru M., Aitsam A., Elken J. Coarse-scale spatial structure of phytoplankton standing crop in relation to hydrography in the open Baltic sea.—Mar. Ecol. Progr. Ser., 1981, vol. 5, p. 311—318. 116. Kalle K. Fluoreszenz und Gelbstoff im Bottnischem und Finnischem Meerbusen.—Dt. Hydrogr. Zs., 1949, Bd. 2, S. 117. 117. Kalle K. Chemisch-hydrographischen Untersuchungen in der inneren Deutschen Bucht.— Dt. Hydrogr. Zs., 1956, Bd. 9, H. 2. 118. Kalle K. Chemische Untersuchungen in der Irminger See im Juni 1955.—Ber. Dt. Wiss. Kom. Meeresforsch., 1957, Bd. 14, N 4, S. 315—328. 119. Kalle K. Über das Verhalten und die Herkunft der in der Gewässern und in der Atmosphare vorhandenen himmelblauen Fluoreszenz.— Dt. Hydrogr. Zs., 1963, Bd. 16, H. 4. 120. Karabašev G. S. Perspektiven der Anwendung von Lumineszenzmethoden zur Untersuchung der Ausbreitungsprozesse von Beimengungen im Meer.—Beitr. zur Meereskunde, 1972, H. 30/31, S. 93—101. 121. Kiefer D.A. Chlorophyll a fluorescence in marine centric diatoms: response of chloroplasts to light and nutrient stress.— Mar. Biol., 1973, vol. 23, p. 39—46. 122. Kiefer D.A. Fluorescence properties of natural phytoplankton populations.— Mar. Biol., 1973, vol. 22, p. 263—269. 123. Kramer С.J.M. Degradation by sunlight of dissolved fluorescing substances in the upper layers of the eastern Atlantic ocean,— Neth. J. Sea Res.,1979, vol. 13, N 2, p. 325—329. 124. Kullenberg G. Measurements of horizontal and vertical diffusion in coastal waters.— Københavns Universitet, Inst. for Fysisk oceanografi, 1968, Rep. N 3. 125. Kullenberg G., Nygard K. Fluorescence measurements in the sea.— Rep. Inst. Fysisk Oceanografi Univ. Copenhagen, 1971, N 15. 126. Loftus M.E., Seliger H.H. Some limitations of the in vivo fluorescence technique.— Chesapeake Science, 1975, vol. 16, N 2, p. 79—92. 127. Lorenzen C.J.A method for the continuous measurements of in vivo chlorophyll concentration.—Deep-Sea Res., 1966, vol. 13, p. 223—227. 128. Marra J., Houghton R.W., Boardman D.C, Neale P.J. Variability in Surface chlorophyll "a" at a shelf-break front.— J. Mar. Res., 1982,vol. 40, N 3, p. 575—592. 129. Measures R.M., Houston W.R., Stephenson D.G. Laser induced fluorescent decay spectra — a new form of environmental signatures.— Optical Engineering, 1974, vol. 13, p. 494—499. 130. Millard J.P., Arvesen J.C. Airborne optical detection of oil on water.—Appl. Optics, 1972, vol. 11, p. 102—107. 131. Momsicoff A. Recherches sur les composes fluorescentes de l'eau de mer.— Cahiers Biol. Marine, 1969, vol. 10, N 3. 198 132. О'Nei1 R.А., Вuja - Вujunas L., Rауner D.M. Field performance of a laser fluorosensor for the detection of oil spills.— Appl. Optics, 1980, vol. 19, p. 863—870. 133. Otsuki A., Hanya T. Production of dissolved organic matter from dead green algal cells. 1. Aerobic microbial decomposition.— Limnol. Oceanogr., 1972, vol. 17, N 2. 134. Ozmidov R.V., Karabasev G.S., Methodik zur Untersuchung der Diffusion von Beimengungen im Meer mit Hilfe lumineszenter Indikatoren.— Beitr. zur Meereskunde, 1972, H. 30/31, S. 55—65. 135. Parsons Т., Takahashi M. Biological oceanographic processes.—L.: Pergamon Press, 1973.—186 p. 136. Platt T. Local phytoplankton abundance and turbulence.—Deep-Sea Res., 1972, vol. 19, p. 183—187. 137. Postma H., Manuels M.W., Rommets J.W. Breakdown and production of fluorescent substances in Dutch waters.— Neth. J. Sea Res., 1976, vol. 10 (4), p. 499—516. 138. Raynеr D.M., Szabo A.G. Time-resolved laser fluorosensors: a laboratory study of their potential in the remote characterization of oil.— Appl. Optics, 1978, vol. 17, N 10. p. 1624-1630. 139. Seliger H.H., McElroy W.D. Light: Physical and biological action.—N.-Y. & L: Academic Press, 1965.—417 p. 140. Setser P.J., Bullister J. L, Frank E.С. а. о. Relationship between reduced gases, nutrients and fluorescence in surface waters off Baja California.—Deep-Sea Res., 1982, vol. 29, p. 1203—1215. 141. Setser P.J., Guinasso N.L., Schink D.R. Daily patterns of fluorescence in vivo in the central equatorial Pacific.— J. Mar. Res., 1982, vol. 40, p. 453—471. 142. Smayda T. The suspension and sinking of phytoplankton in the sea.— Oceanogr. Mar. Biol. Ann. Rev., 1970, vol. 8, p. 353—414. 143. Stee1e J.H. Some comments on plankton patches.— In: Spatial Patterns in Plankton Communities. Ed. J. H. Steele, Plenum Press, 1978, p. 1—20. 144. Stewart A.J., Wetzel R.G. Dissolved humic materials: photodegradation, sediment effects and reactivity with phosphate and calcium carbonate precipitation—Arch. Hydrobiol., 1981, vol. 92, p. 265—286. 145. Stoertz G.E., Hemphill W.R., Markle D.A. Airborne fluorometer applicable to marine and estuarine studies.— MTS J., 1969, vol. 3, N 6. 146. Strickland J.D.H. A comparison of profiles of nutrient and chlorophyll concentrations taken from descreet depths and by continuous recording.—Limnol. Oceanogr., 1968, vol. 13, p. 388—391. 147. Thruston A.D. A fluoremetric method for the determination of lignin sulfonates in natural waters.— J. Water Poll. Control Fed., 1970, vol. 42. 148. Traganza E.D. Fluorescence excitation and emission spectra of dissolved organic matter in sea water.—Bull. Mar. Sci., 1969, vol. 19, p. 897—904. 149. Vasholz D.P., Crawford L.J. Dye dispersion in the seasonal thermocline.—J. Phys. Oceanogr., 1985, vol. 15, p. 695—712. 150. Visser H. Teledetection of the thickness of oil films on polluted water based on the oil fluorescence properties.— Appl. Optics, 1979, vol. 18. 151. Willey J.D., Atkinson L.P. Natural fluorescence as a tracer for distinguishing between piedmont and coastal plain river water in the nearshore waters of Georgia and North Carolina.— Estuarine, Coastal and Shelf Sciences, 1982, vol. 14, p. 49—59. 152. Yentsch С.S. Some aspects of the environmental physiology of marine phytoplankton: a second look.— Oceanogr. Mar. Biol. Ann. Rev., 1974, vol. 12. 153. Yentsch С.S., Ryther J.H. Short-term variations in phytoplankton chlorophyll and their significance.— Limnol. Oceanogr., 1957, vol. 2, N 2. 154. Yentsch C.S., Yentsch С.М. Fluorescence spectral signatures: the characterization ox phytoplankton populations by the use of excitation and emission spectra.—J. Mar. Res., 1979, vol. 37, p. 471—483. 155. Zimmerman J.T.F., Rommets J.W. Natural fluorescence as a tracer in the Dutch Wadden Sea and the adjacent North Sea.— Neth. J. Sea Res., 1974, vol. 8, N 2—3. 199 FIGURE CAPTIONS Fig. 1.1. Classification of luminescence phenomena. Fig. 1.2. A simplified diagram of energy levels of a polyatomic molecule. S and Т – singlet and triplet levels; А and Б – transitions corresponding to light absorption within the short- and longwave absorption bands; ИК – intercombination conversion (nonradiative transitions between electronic states of different multiplicity but equal total energy); ВК – internal conversion (the same but between electronic states of equal multiplicity); double dotted lines indicate the dissipation of energy of upper vibrational levels of an excited state due to collisions with adjacent molecules. Fig. 2.1. Optical diagrams of fluorometers for measurements of fluorescence intensity. а – transmitted light excitation; б – front excitation of fluorescing substance; в – excitation at right angles to axis of a fluorescence sensor. Л is a source of excitation light; Ф1 and Ф2 are primary and secondary color filters; K is a cuvette for fluorescing fluid; П is a fluorescence receiver. Fig. 2.2. Optical diagram of the submersible fluorometer sensor ИПФ(IPF)70. The arrows Вх and Вых indicate water flow through the light screen during submersion of the sensor. 1 and 13 are primary and secondary color filters, 2 and 12 are primary and secondary watertight viewing ports, 3 and 10 are mirrors, 4 is a watertight housing of optics and electronics of the sensor, 5 is a gray wedge, 6 is beam-splitter, 7 is a collimating lens, 8 is a xenon pulsed light operating at a rate of 3 Hz, 9 and 11 are reference and fluorescence-sensing photomultipliers, 14 is a flow-through light screen preventing overload of the photomultiplier 11 with the ambient light. Fig. 2.3. Functional arrangement of the fluorescence lidar. Л is a nitrogen laser; ТК is a receiving telescope; Р is light-splitting plate; УФ is a UV filter cutting the UV radiation; ГР is a holographic grating of the polychromator; ВР is fiber-optic image splitter; УИ are microchannel image amplifiers; У is a gain control; ВС are fiber-optic light guides; ФД are 16 photodiodes of the spectrometer; СВХ are sample-and-hold circuits; АКУ is an automatic gain control; И are interfaces; В/С is a timing unit with outputs В1-3 and ВХ; АОР is a backscatter intensity meter; А is an altimeter; ИМВ is an excitation power meter involving the photodiode Д. The chain-line rectangle denotes the projectible meter of fluorescence life time (ДП is a dichroic plate, τ is a meter of fluorescence life time in the blue Си and the red Кр spectral ranges). Fig. 3.1. The normalized spectral distributions of intensity Ф% of the CDOM fluorescence excited with the Hg lines 313 nm (I), 365 nm (II) and 436 nm (III) according to measurements of water samples from surface waters of the Baltic Sea (1 and 3) and from 10 km depth in Tonga trench of the Pacific ocean (2 and 4). Fig. 3.2. The wavelength dependence of the absorption coefficient κ of different waters and coefficient of correlation r between the absorption and CDOM fluorescence of Baltic Sea waters. 1–3 as calculated from data for filtered Baltic Sea water in cuvettes 1, 5 or 30 cm long (the values of κ are averaged estimates); 4 is the average spectrum of κ×100 of Atlantic waters based on [104]; 5 is the difference of the absorption spectra of singly- and triply-distilled water multiplied by 100 (based on laboratory measurements [9]). Fig. 3.3. Variations of total fluorescence intensity of CDOM in the stripe between 65° and 67° E from 15° S to 20° N in the Indian ocean as calculated from data in [82]. 1 – 4 are patterns for layers 0-25, 25-50, 50-100, and 100-150 m; Ст is the number of a station of the cruise 22 of the R/V “Akademik Kurchatov”; СТК and ЭК are the subtropical and equatorial convergences; ЮТД and СЭД are the southern and equatorial divergences; ПА is the coastal upwelling (according to [82]). 1 Fig. 3.4. Changes in oceanological features in the equator (а) and in the latitudinal transect off the Pacasmayo peninsula (б) in the Pacific ocean. 1–3 is total intensity Θ of the CDOM fluorescence in layers 0–25, 50–75, and 75–100 m; 4 is the phytoplankton biomass Спл within the layer of photosynthesis [76]; 5 is the depth of the upper boundary of the Cromwell current (from [73]); Ст is the number of a station of the 17th cruise of the R/V “Akademik Kurchatov”; L is the length of the transects (nautical miles); ϕ is the western longitude. Fig. 3.5. Distribution of the CDOM fluorescence at depth levels of 10 m (а) and 200 m (б) in the area of the Antilles-Guiana counter current. The arrows designate current vectors averaged over the 0-400 m depth range. The thick lines show position of hydrological transects where data for maps а and б have been collected. The dotted lines indicate localization of station clusters I-V in Fig. 3.8. Fig. 3.6. The vertical distributions of the CDOM fluorescence intensity Ф arb.un. and salinity S °/°° in the Bengal Bay. 1, fluorescence in the western part of the bay 250 miles offshore at station 781 on September 18, 1973 (cruise 10 of the R/V “Dmitri Mendeleev”) when autumn circulation in the bay carries the riverine waters from the mouth of the Ganga river towards the station; 2, the same site and features but at station 7577 on April 1977 (cruise 61 of the R/V “Vityaz”) under conditions of east-bound water circulation in the bay; 3 and 4, fluorescence at stas 783 and 784 offsetting by 42 and 31 miles from the mouth; circles and crosses designate the salinity profiles at stas 781 and 7577. Fig. 3.7. The vertical distributions of the CDOM fluorescence intensity (solid) and concentration of phosphates Р-PO4 (dotted) at different sites. 1, at Chagos trench, sta 769, and 2, west of the Seychelles, sta 765, cruise 10 of the R/V “Dmitri Mendeleev” in the Indian ocean; 3 and 4, in the equator of the Pacific ocean (sta 1456, 122° W and sta 1460, 145° W, cruise 17 of the R/V “Akademik Kurchatov”); 5, Atlantis II Deep, the Red Sea (sta 7631, cruise 61 of the R/V “Vityaz”). Fig. 3.8. The depth profiles of statistical features of the CDOM fluorescence intensity and water temperature T°C computed for clusters of stations in Fig. 3.5. 1 and 3 denote the mean profiles of fluorescence and temperature, 4 and 5 show their coefficient of variation, 2 designates the logistic function (3.3) fitting the mean fluorescence profiles. Fig. 3.9. Recorded depth profiles of the CDOM fluorescence intensity. (a), 1-4, equatorial stas 1461, 1458, 1456, and 1454 from 155°W to 97°W (Pacific ocean, 17th cruise of the R/V “Akademik Kurchatov”); 5-7, stas 1469, 1470, and 1473 in the upwelling zone off Peru (the same cruise). (б) a hypothetical family of profiles inherent to waters of different biological productivity (1, oligo- and mesotrophic regions; 2, upwelling zones in the open ocean; 3, coastal upwelling sites; 4, extremely productive aquatic areas). K is an approximate ratio of CDOM fluorescence intensity at the depth z to that in the inner homogeneous layer of the open ocean. Fig. 3.10. The depth profiles of coefficients of correlation between horizontal variations of the CDOM fluorescence Ф and temperature r(Т,Ф), salinity r(S,Ф), and coefficient of light scattering at a direct angle r(σ90,Ф) in the Indian ocean (1976, cruise 22 of the R/V “Akademik Kurchatov”). а, from observations in a transect from 15°S to 20°N between 65°E and 67°E; б, from observations to the west of the same transect. The 95% tolerance intervals are shown as horizontal legs. The circles show the estimates of correlation between T and latitude, S and latitude. Fig. 4.1. At the left, the absorption spectra of the red algae Porfiridium, of the diatom Navicula minima, of the green Chlorella vulgaris; absorption bands of pigments are given according to [139]. At the right, the fluorescence spectrum of Porfiridium excited with equal power radiation in the chlorophyll absorption band at 436 nm and in bans of auxiliary pigments at 515 and 546 nm (from [80]). 2 Fig. 4.2. The excitation spectra of algae cultures of different taxonomy (from [126]). 1, an unidentified form of cyanobacteria with cells sizing 2 μm (fluorescence recording at the peak of chlorophyll a fluorescence spectral band (685 nm, solid curve) and at phycocianin peak (635 nm, dotted curve); 2, the green Dunaliella tertiolecta (solid curve for logarithmic growth rate and dotted one for stationary conditions); 3 – 5, chrizophytae Monochrysis lutheri, Cyclotella nana, Pheodactylum Tricornatum (solid = logarithmic growth, dotted = stationary conditions); 6, dinoflagellates Gimnodinium nelsoni (dotted) and Gonyaulux catenella (solid). Fig. 4.3. Diurnal variation of water density and chlorophyll fluorescence intensity in the equator in the Pacific (I – III) and Indian oceans (cruises 17 and 22 of the R/V “Akademik Kurchatov”). I, sta 1454 , 97°W, January 16-17, 1974; II, sta 1461, 155°W, February 4-5, 1974; III, sta 1461, 155°W, February 6-7, 1974; IV, sta 1913, 50°E, March 31 – April, 1976 г. а, water density from CTD probe АИСТ (I—III) and Nansen bottles (IV) (1, the average daily profile of density σt; 2, its coefficient of variation Cvσ; 3, the vertical density gradient Гσ); б and в, the fluorescence of CDOM and chlorophyll (4 and 6, average daily profiles of CDOM fluorescence ФРОВ and chlorophyll fluorescence Фхл, arb.un.; 5 and 7, their coefficients of variation CvФРОВ and CvФхл); г, the relative amplitude Q of the diurnal rhythm of chlorophyll fluorescence (9) and relative error D (8) of the diurnal rhythm approximation by the expressions (4.1) and (4.2); д, daytime tмакс when chlorophyll fluorescence intensity peaks. Fig. 4.4. Harmonic (4.1) approximation of diurnal rhythm of chlorophyll fluorescence intensity Ф measured at 0 and 5 m depths. I, the Pacific, equator, 97°W, sta 1454; II and III, the same but 155°W, sta 1461, February 4-5 and 6-7, 1974; IV, the Indian ocean, sta 1913, March 31 – April 1, 1976; V, Gulf of Riga (Baltic Sea), May 1975. t is local time, the bracketed numbers are estimates of D/Q. Fig. 4.5. The types of vertical distributions of chlorophyll fluorescence intensity Ф in the ocean. 1, quasihomogeneous (tropical Indian ocean south of equator); 2, singlemode (110°W, equator); 3, multimode (the Bengal Bay); 4, maximum at the ocean surface (shelf of the western Australia); 5, profiles of intricate shapes (the Comoros area, Indian ocean). Fig. 4.6. The vertical distributions of oceanological features at stas 7582, 7660, 7591 of cruise 61 of the R/V “Vityaz” in the northern Indian ocean. 1, chlorophyll gradient ГS. fluorescence intensity Ф; 2, temperature vertical gradient ГT; 3, salinity vertical Fig. 4.7. The vertical distributions of chlorophyll fluorescence Фхл and water density σt in the coastal area off Peru (sta 1470 of cruise 17 of the R/V “Akademik Kurchatov”, 1974). a, gross-structure of density distribution at 18:37 local, March 2 (3), of fluorescence at 20:48 local, March 2 (1) and at 05:45, March 3 (2); б and в, fine-structure of fluorescence at 21:03 and 21:30, March 2 as recorded during casting (4) and lifting (5) of the fluorometer probe. Fig. 4.8. The vertical distributions of chlorophyll fluorescence Ф (1) and water temperature (2) simultaneously recorded in Gdansk Basin (Baltic Sea) on May 6-7, 1975, at 23-24 h (a) , 02-03 h (б), 05-06 h (в), and 08-09 h (г). Fig. 4.9. The vertical distributions of oceanological features at the Peruvian coastal zone on March 14, 1974 (sta 1476, cruise 17 of the R/V “Akademik Kurchatov”). 1, chlorophyll fluorescence Фхл at 15:58 local; 2, the same at 16:02; 3, sea water density σt at 15:35; 4, CDOM fluorescence ФРОВ at 16:48; 5, direct-angle light scattering Фр at 16:10. 3 Fig. 4.10. Distributions of fluorescence and hydrophysical features in the southern subtropical convergence of the Pacific ocean at sta 3598 (March 5, 1982, cruise 34 of the R/V “Akademik Kurchatov”). a, sequential profiles of chlorophyll fluorescence Ф (shifted in succession by 50 arb.un.); б, profiles of temperature Т°С and salinity S°/°°. The arrows indicate measured current velocity at 30, 50, 75, and 100 m. Fluorometer castings 1–6 commenced at 08:56, 09:02, 09:07, 09:12, 09:17, and 09:23, respectively. Fig. 4.11. The amplitude distributions of signals of the direct-angle light scattering Р(Фр) and chlorophyll fluorescence Р(Фхл) computed from signal recordings in the coastal zone off Peru at sta 1467 of cruise 17 of the R/V “Akademik Kurchatov”, 1974). 1 and 2, the scattering at depth levels 60 and 35 m; 3 and 4, fluorescence at depth levels 60 and 35 m. Fig. 4.12. Vertical profiles of averaged values Ф and coefficients of variation CvФ% (dotted) of chlorophyll fluorescence intensity calculated from data based on continuous repeated vertical profiling from a drifting vessel. Refer to Table 4.5 for conditions of observations. Fig. 4.13. Distributions of chlorophyll fluorescence intensity, arb.un., in the northern Indian ocean plotted from data of continuous repeated vertical profiling at stas 7565 (I), 7567 (II), and 7568 (III) of cruise 61 of the R/V “Vityaz” (Table 4.5). Symbol ∨ marks starting time of individual profile. Fig. 4.14. Distributions of chlorophyll fluorescence intensity, arb.un., in the coastal zone off Peru of the Pacific ocean. The distributions have been plotted from data of continuous repeated vertical profiling at stas 1634 (I), 1650 (II), and 1652 (III) of cruise 20 of the R/V “Dmitri Mendeleev” (Table 4.5). The diagram in plot III indicates concurrently measured current velocity at 10, 30, and 50 m depths. The rest as in Fig. 4.13. Fig. 4.15. ρ-matrices of chlorophyll fluorescence intensity computed from data of continuous repeated vertical profiling at stas 7565 (а) and 7568 (б) (Table. 4.5) at depth increment Δz = 5 m. Insets show the profile of average estimates of fluorescence Ф arb.un. (1) and diagonal of a matrix (2), that is, the correlation coefficient ρ(n,n+1) between fluctuations of Ф within adjacent layers 5 m thick. n is the number of a layer. Fig. 4.16. ρ-matrix of chlorophyll fluorescence intensity computed from data of continuous repeated vertical profiling at sta 1634 (Table 4.5) at Δz = 5 m. Profile ρ(0,n) represents correlation between fluctuations of Ф in the upper 5 m thick layer with those in underlying layers of the same thickness. Cотн shows fractions of Dinoflagellata (1), Diatomaceae (2), Peridinea (3) in total content of phytoplankton according to estimates in concurrently sampled volumes of water by marine biologists. The rest as in Fig. 5.15. Fig. 4.17. Distributions of chlorophyll fluorescence intensity, arb.un., in the layer of 0 to 45 m in the Gotland basin (Baltic sea, 1979) plotted from the data of fluorometer ИПФ-70 towed in a yoyo trajectory. The temperature profile Т°С was measured before the towing. L is towing length in km. Fig. 4.18. Vertical profiles of chlorophyll fluorescence intensity Ф and water density gradient Гσ (dotted) and vector diagrams of current velocity at 122°W (equator, Pacific ocean) at sta 1456 of cruise 17 of the R/V “Akademik Kurchatov”, 1974). Numbers at velocity vectors are depths levels of current meters deployment. Time and dates of observations are given in plots. 4 Fig. 4.19. Profiles of coefficients of correlation r between horizontal variations of fluorescence of chlorophyll and CDOM in the active layer of the Indian ocean. Initial data have been collected with the submersible fluorometer ИПФ-70 at 45 stations of cruise 22 of the R/V “Akademik Kurchatov” (1) and 49 stations of cruise 61 of the R/V “Vityaz” (2). The crosses indicate estimates of r from “night” data samples (18 stations of cruise 22 from 20:00 to 04:00 local time). Fig. 4.20. Vertical distributions of oceanological features in the equator at 163°W (Pacific ocean, sta 2012 of cruise 24 of the R/V “Dmitri Mendeleev”, March 19, 1980). 1, chlorophyll fluorescence intensity Фхл; 2, water temperature Т°С; 3, zonal component of current velocity U cm/s; 4, thickness of the layer exhibiting current velocity fluctuations according to the freefall turbulence probe “Баклан”. All of the relevant measurements took place from 22:30 to 23:30 local time. Fig. 5.1. Fluorescence spectra of chloroform solutions of certain organic substances that enter into the composition of oils [78] (the spectra are normalized to their maxima). 1, pyrobitumens, density 0.910; 2, the same, density 0,900; 3, silica gel tars, density 0,867; 4, the same, density 0,878; 5, the same, density 0,871; 6, oils of density 0,835; 7, naphthenic acids of density 0,837. Fig. 5.2. “True” fluorescence spectra of oils and petroleum products excited at 337 nm [129]. 1 and 2, oilfields of Canada; 3 and 4, oilfields of Angola; 5, bunker oil; 6, diesel fuel; 7, gasoline; 8, boiler oil. Fig. 5.3. “True” fluorescence spectra Ф of sea water and certain substances when excited at 337 nm and normalized to their maxima. 1, sea water from the Baltic sea; 2, crude oil when excited according to layout б in Fig. 2.1; 3, 0,1% solution of the same oil in the carbon tetrachloride solution when excited according to layout в in Fig. 2.1; 4 and 5, the primary and secondary discharges of spent alkali liquors of a pulp-and-paper mill 10fold diluted with twice-distilled water. Fluorescence band are normalized to their peak intensity. Fig. 5.4. Spectral features of a sample of waste water of a wood processing plant (from [86]). 1, excitation spectrum of fluorescence recorded at 420 nm; 2, fluorescence spectrum excited at 224 nm; 3, the same but at 312 nm. Spectral windows for excitation and recording of fluorescence were 10 nm wide. Fig. 5.5. Spectral features of uranin (а) and rhodamin G (б). Solid curve designate absorption spectrum κ, arb.un, and dotted one shows fluorescence spectrum Ф, arb.un. а’ and а are absorption bands corresponding to transitions from the ground state to the first and the second excited states, respectively. Fig. 6.1. Profiles of oceanological features in the Pacific ocean off Peru in the latitudinal transect starting from the Pacasmayo peninsula. а, chlorophyll fluorescence intensity Фхл , arb.un.; б, direct-angle light scattering P, arb.un.; в, CDOM fluorescence intensity ФРОВ, arb.un.; г, sea water density σt. Ст., number of a station of cruise 17 of the R/V “Akademik Kurchatov”, 1974; L is distance from the peninsula in nautical miles. Ст. 1473 was occupied in three days after Cт. 1467. The arrows in Фхл profiles indicate the depth intervals where chlorophyll fluorescence intensity exceeded the upper-range value of fluorometer probe ИПФ-70. Fig. 6.2. Profiles of the ratio P = Фacc/Фchl, where Ф stands for chlorophyll fluorescence intensity excited in absorption band of accessory pigments (subscript ‘acc’) and in that of chlorophyll (subscript ‘chl’), and vertical distributions of water temperature T°С. The plots were composed of data of fluorometer probe ИПФ-70 and bathythermograph collected in the Baltic sea in May 1975 at daily anchor stations in the Gdansk (a) and Gotland (б) basins, north of the island of Hiiumaa (в), and in the central Bay of Riga (г). Р and Cv are estimates of daily average and coefficients of variation of the ratio. 5
