Российские ученые разработали компактный высокоскоростной палубный спектрорадиометр с разрешением около одного нанометра. С помощью этого прибора можно измерять спектры коэффициента яркости моря с точностью, достаточной для определения биооптических характеристик, например, концентрации хлорофилла. Биооптические характеристики — это параметры, связывающие жизнь в морской воде с ее проявлением в оптических измерениях.
Космический снимок Черного моря со спутника НАСА / © Jeff Schmaltz, MODIS Rapid Response Team, NASA/GSFC, ru.wikipedia.org
Результаты исследования, проведенные с использованием нового спектрорадиометра, опубликованы в журнале «Океанология». Спектрорадиометр — прибор для измерения фотометрических характеристик излучения. С его помощью измеряют светимость источника излучения, яркость потока излучения и другие параметры. В частности, этот прибор используется для определения оптических характеристик излучения, восходящего от моря. На сегодняшний день есть ряд используемых спектрорадиометров.
Однако каждый из них имеет свои недостатки. Например, плавающие приборы не позволяют проводить измерения на ходу, некоторые палубные спектрорадиометры требуют длительного времени регистрации сигнала или сложны в использовании. Поэтому целью ученых из Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН и МФТИ стала разработка нового спектрорадиометра, который позволил бы проводить оперативные измерения яркости моря как на станциях, так и во время движения судна, и упростил бы процедуру регистрации сигнала.
«Нашей группой был разработан компактный, оперативный палубный спектрорадиометр для измерения коэффициента яркости моря в видимом диапазоне со спектральным разрешением около одного нанометра. Малое время измерения (1-2 минуты) позволяет работать в условиях переменной облачности и во фронтальных зонах, в том числе при измерениях на ходу судна, что позволяет существенно увеличить объем получаемых данных», — рассказал о приборе Дмитрий Глуховец, доцент кафедры термогидромеханики океана ФАКТ, МФТИ.
«В ходе исследования мы измеряли коэффициент яркости моря. Это спектральная характеристика, позволяющая получать качественную и количественную информацию о содержащихся в морской воде компонентах, влияющих на состояние экосистем. Благодаря развитию дистанционных методов зондирования коэффициент яркости моря стал широко используемым инструментом анализа процессов, происходящих в поверхностном слое Мирового океана», — пояснила Мария Павлова, первый автор и аспирантка кафедры термогидромеханики океана ФАКТ, МФТИ.
Для валидации данных ученые сравнивали коэффициенты яркости моря, зарегистрированные новым прибором, с данными, полученными с помощью эталонного плавающего спектрорадиометра. Сопоставление данных показало, что спектры коэффициента яркости моря, измеренные при благоприятных условиях освещения в ходе черноморской экспедиции (высокое положение Солнца над горизонтом, отсутствие облачности), дают величину относительной ошибки менее 15 процентов.
«По данным, полученным с помощью разработанного нами палубного спектрорадиометра, можно рассчитать биооптические характеристики. В первую очередь, это концентрация пигмента клеток фитопланктона — хлорофилла а. Помимо этого, биооптическими характеристиками считаются показатель поглощения желтым веществом, по значению которого можно определить область распространения речного стока, а также показатель рассеяния назад частицами взвеси, необходимый для оценки альбедо. Существуют различные стандартные и региональные алгоритмы, позволяющие рассчитывать значения биооптических параметров по данным о коэффициенте яркости моря», — прокомментировала Мария Павлова.
В ходе морских экспедиций ученые усовершенствовали прибор. При измерениях используется диффузно-отражающий экран для оценки нисходящей облученности. В классической схеме измерений берется белый экран, но тогда при регистрации сигнала ученым приходилось менять время накопления, что увеличивало погрешность измерений. Проблема была решена применением серого экрана, альбедо которого составляет 18 % (доля падающего потока излучения, отраженного от поверхности тела). Такая замена позволила проводить измерения с фиксированным временем накопления.
«Благоприятные условия Черноморской экспедиции предоставили возможность сравнить результаты с применением белого и серого экранов. В качестве эталона мы использовали спектры, полученные с помощью плавающего спектрорадиометра. Результаты показали, что серый экран обеспечивает более точные результаты. При сравнении данных восьми серий измерений с применением серого и белого экранов средние относительные погрешности составили 15 и 23 процентов соответственно. Эти значения ошибок указывают на преимущества использования серого экрана», — рассказал Дмитрий Глуховец.
Для устранения вклада яркости, отраженной от морской поверхности, использовалась кювета с поглощающим дном и стенками, заполненная водой. Однако при проведении измерении с судна в условиях сильной качки и ветра использование данной кюветы затруднено. Поэтому ученые провели эксперименты со стеклянной пластиной с поглощающей подложкой вместо кюветы.
«Мы проверили применимость стеклянной пластины в ходе Черноморской экспедиции в июне 2023 года. С использованием кюветы и стекла, нижняя поверхность которого была покрыта черной матовой аэрозольной краской, было получено семь пар спектров и рассчитаны погрешности. Сравнение полученных данных показало, что для рассматриваемого образца средняя относительная ошибка составила 6 %. Результат эксперимента предполагает возможность замены кюветы с водой на стеклянную пластину с поглощающей подложкой», — рассказала Мария Павлова.
«В дальнейшем необходимо разработать критерии оценки качества измерений, а также сформулировать требования к условиям освещения при проведении измерений, в первую очередь, к уровню освещенности и параметрам ее временной изменчивости», — поделился планами на будущее Дмитрий Глуховец.
В работе принимали участие ученые из МФТИ, Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН и Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского РАН. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.
(опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571)
