hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667320020033hydrophysics-98Research ArticleГИДРООПТИКАHYDROOPTICSОптические характеристики вод Черного моря в районе океанографической платформы во время цветения кокколитофорид в 2012 и 2017 гг.Optical properties of the Black Sea waters near oceanographic platform during coccolithophore blooms in 2012 and 2017КорчемкинаЕ. Н.KorchemkinaE. N.

299011, Капитанская ул., д. 2, г. Севастополь

299011, Kapitanskaya Str., 2, Sevastopol

korchemkina@mhi-ras.ruМаньковскаяЕ. В.MankovskayaE. V.

299011, Капитанская ул., д. 2, г. Севастополь

299011, Kapitanskaya Str., 2, Sevastopol

Морской гидрофизический институт РАНРоссияMarine Hydrophysical Institute RASRussian Federation2020011220211322534Copyright © Корчемкина Е.Н., Маньковская Е.В., 20212021Корчемкина Е.Н., Маньковская Е.В.Korchemkina E.N., Mankovskaya E.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/98

Показаны результаты оптических измерений, проводившихся в период цветения кокколитофорид, а также восстановленные по ним первичные биооптические характеристики. При цветении кокколитофориды производят значительное количество минеральной взвеси, увеличивая рассеяние света и существенно снижая прозрачность воды. Увеличение рассеяния назад приводит к возрастанию значений восходящей яркости моря и коэффициента яркости. Натурные измерения выполнялись на океанографической платформе, расположенной в 600 м от береговой линии, в июле 2012 г. и в мае 2017 г. Измеряемые параметры включали: показатель ослабления направленного света, коэффициент яркости моря и глубину видимости белого диска, дополнительно использовались спутниковые данные сканеров MODIS 2-го и 3-го уровней обработки. Измеренные показатели ослабления света вдвое превышали значения при отсутствии цветения, коэффициент яркости — втрое. Измеренные величины демонстрируют сходную временную изменчивость. Расчеты первичных биооптических характеристик проводились при помощи полуаналитических алгоритмов. Проведены оценки концентрации кокколитов различными способами, результаты и их временной ход хорошо согласуются. Рассчитанное обратное рассеяние завышено на порядок по сравнению с отсутствием цветения, при этом модель GIOP несколько занижает расчетные значения. Совместное использование спутниковых и контактных данных дает возможность восстановить одновременно полное и обратное рассеяние. Рассчитанные по ним коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния и вклад обратного рассеяния показывают повышение доли мелких частиц с высоким показателем преломления.

The paper shows the results of optical measurements carried out during the coccolithophore bloom and the primary bio-optical characteristics obtained. Blooming coccolithophores produce a significant amount of mineral suspension, increasing light scattering and reducing the transparency of water. An increase in the backward scattering leads to an increase in the upwelling radiance and the reflectance coefficient of the sea water. Field measurements were carried out on an oceanographic platform located 600 meters from the coastline in July 2012 and May 2017. The measured parameters included light beam attenuation coefficient, sea reflectance, and the Secchi disk depth, satellite data from MODIS scanners Leves 2 and 3 were also used. The measured beam attenuation coefficient was twice higher than in the absence of the bloom, the reflectance was three times higher. Measured values show similar temporal variability. The calculations of the primary bio-optical characteristics were carried out using semi-analytical algorithms. The coccolith concentration was estimated in various ways; the results and their temporal variability are in good agreement. The calculated backscattering is an order of magnitude higher compared to the absence of the bloom, while the GIOP model somewhat underestimates the calculated values. The combined use of satellite and contact data makes it possible to restore both total scattering and backscattering. The asymmetry coefficient of the scattering and the backscattering ratio show an increase in the fraction of small particles with a high refractive index.

оптические измеренияпоказатель ослабления направленного светакоэффициент яркости морябелый дискpicвзвешенное веществохлорофиллкокколитофоридыкокколитыЧерное мореoptical measurementslight beam attenuation coefficientsea reflectanceSecchi diskpicsuspended matterchlorophyllcoccolithophorecoccolithsРабота выполнена в рамках государственного задания по темам № 0827–2019–0002 «Оперативная океанология», № 0827–2019–0004 «Прибрежные исследования».ReferencesBalch W.M., Kilpatrick K.A., Trees C.C. The 1991 coccolithophore bloom in the central North. I. Optical properties and factors affecting their distribution // Limnology and Oceanography. 1996. V. 41, № 8. P. 1669–1683.Balch W.M., Kilpatrick K.A. & Trees C.C. The 1991 coccolithophore bloom in the central North. I. Optical properties and factors affecting their distribution. Limnology. 1996, 41, 1669–1683.Микаэлян А.С., Силкин В.А., Паутова Л.А. Развитие кокколитофорид в Черном море: межгодовые и многолетние изменения // Океанология. 2011. Т. 51, № 1. С. 45–53.Mikaelyan A.S., Silkin V.A., Pautova L.A. Coccolithophorids in the Black Sea: Their interannual and long-term changes. Oceanology. 2011, 51, 39–48. https://doi.org/10.1134/S0001437011010127Balch W.M., Holligan P.M., Ackleson S.G., Voss K.J. Biological and optical properties of mesoscale coccolithophore blooms in the Gulf of Maine // Limnology and Oceanography. 1991. V. 36, № 4. P. 629–643.Balch W.M., Holligan P.M., Ackleson S.G., Voss K.J. Biological and optical properties of mesoscale coccolithophore blooms in the Gulf of Maine. Limnology and Oceanography. 1991, 36, 4, 629–643.Маньковский В.И. и др. Многолетняя изменчивость прозрачности воды в Черном море и факторы, обусловившие ее сильное снижение в конце 80-х — начале 90-х годов. Препр. Севастополь: МГИ НАНУ, 1996. 32 с.Mankovsky V.I., Vladimirov V.L., Afonin E.I., Mishonov A.V., Soloviev M.V., Anninsky B.E., Georgieva L.V., Yunev O.A. The long-term variability of water transparency in the Black Sea and the factors that caused its strong decline in the late 80s and early 90s. Sevastopol, MGI NANU, 1996. 32 p. (in Russian).Карабашев Г.С., Шеберстов С.В., Якубенко В.Г. Июньский максимум нормализованной яркости и его связь с гидрологическими условиями и «цветением» кокколитофорид в Черном море // Океанология. 2006. Т. 46, № 3. С. 331–343.Karabashev G.S., Sheberstov S.V., Yakubenko V.G. The june maximum of normalized radiance and its relation to the hydrological conditions and coccolithophorid bloom in the Black Sea. Oceanology. 2006, 46, 3, 305–317.Иванов В.А., Дулов В.А. Мониторинг прибрежной зоны на Черноморском экспериментальном подспутниковом полигоне. Севастополь: ЭКОСИ–Гидрофизика, 2014. 517 с.Ivanov V.A., Dulov V.A. Monitoring of the coastal zone at the Black Sea experimental sub-satellite range. Sevastopol, ECOSI-Hydrophysics, 2014. 517 p. (in Russian).Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. Ленинград, 1974 г.Guide to hydrological works in the oceans and seas. Leningrad, 1974. (in Russian).Ли М.Е., Мартынов О.В. Измеритель коэффициента яркости для подспутниковых измерений биооптических параметров вод // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь: ЭКОСИ–Гидрофизика, 2000. С. 163–173.Lee M.E., Martynov O.V. Reflectance meter for sub-satellite measurements of bio-optical water parameters. Ecological safety of coastal and shelf zones and integrated use of shelf resources. Sevastopol, ECOSI-Hydrophysics, 2000, 163–173 (in Russian).Маньковский В.И. Спектральный лабораторный прозрачномер с переменной базой // Системы контроля окружающей среды. Севастополь: ЭКОСИ–Гидрофизика, 2012. Вып. 17. C. 56–60.Mankovsky V.I. Spectral laboratory transparency meter with variable base. Environmental Monitoring Systems. Sevastopol, MGI NASU, 2012, 17, 56–60 (in Russian).Ли M.E. Разработки гидрооптических приборов в МГИ НАН Украины // Системы контроля окружающей среды. Севастополь: ЭКОСИ–Гидрофизика, 2012. Вып. 17. С. 7–20.Lee M.E. Development of hydro-optical devices at the Marine Hydrophysical Institute of NAS of Ukraine. Environmental Monitoring Systems. Sevastopol, ECOSI-Hydrophysics, 2012, 17, 7–20 (in Russian).Werdell P., Franz B., Bailey S. et al. Generalized ocean color inversion model for retrieving marine inherent optical properties // Appl. Opt. 2013. V. 52, N 10. P. 2019–2037.Werdell P., Franz B., Bailey S. et al. Generalized ocean color inversion model for retrieving marine inherent optical properties. Appl. Opt. 2013, 52, 2019–2037.Корчемкина Е.Н., Шибанов Е.Е., Ли М.Е. Усовершенствование методики атмосферной коррекции для дистанционных исследований прибрежных вод Черного моря // Исследование Земли из космоса. 2009, № 6. С. 24–30.Korchemkina E.N., Shybanov E.B., Lee M.E. Improvement of atmospheric correction techniques for remote studies of the coastal waters of the Black Sea. Issledovaniye Zemli iz Kosmosa. 2009, 6, 24–30 (in Russian).Ли М.Е., Латушкин А.А., Мартынов О.В. Долговременная изменчивость прозрачности поверхностных вод Черного моря // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, № 3. С. 40–46.Lee M.E., Latushkin A.A., Martynov O.V. Long-term variability of transparency of surface waters of the Black Sea. Fundamentalnaya i Prikladnaya Gidrofizika. 2018, 11, 3, 40–46 (in Russian).Маньковский В.И. Влияние состава взвеси на глубину видимости белого диска // Оптика атмосферы и океана. 2019. № 1. С. 24–28.Mankovsky V.I. Influence of suspension composition on Secchi disk depth. Atmospheric and Oceanic Optics. 2019, 1, 24–28 (in Russian).Маньковский В.И., Соловьев М.В., Маньковская Е.В. Гидрооптические характеристики Черного моря. Справочник. Севастополь: МГИ НАН Украины, 2009. 90 с.Mankovsky V.I., Soloviev M.V., Mankovskaya E.V. Hydro-optical characteristics of the Black Sea. Reference Book. Sevastopol, MGI NAS of Ukraine, 2009. 90 p. (in Russian).Ли М.Е., Шибанов Е.Б., Корчёмкина Е.Н., Мартынов О.В. Определение концентрации примесей в морской воде по спектру яркости восходящего излучения // Морской гидрофизический журнал. 2015. № 6. C. 17–33.Lee M.E., Shybanov E.B., Korchemkina E.N., Martynov O.V. Determination of the concentration of components in the seawater under upwelling radiation brightness spectrum. Physical Oceanography. 2015, 6, 15–30.Корчемкина Е.Н., Латушкин А.А. Определение концентраций растворенного органического вещества и взвеси по спектральному показателю ослабления направленного света // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2016. № 3. С. 44–48.Korchemkina E.N., Latushkin A.A. Determination of the concentrations of dissolved organic matter and suspension by the spectral light beam attenuation coefficient. Ekologicheskaya Bezopasnost Pribrezhnoy i Shelfovoy Zon Morya. 2016, 3, 44–48 (in Russian).Hu C., Lee Z., Franz B. Chlorophyll a algorithms for oligotrophic oceans: A novel approach based on three-band reflectance difference // J. Geophys. Res. 2012. V. 117(C1). doi: 10.1029/2011jc007395Hu C., Lee Z., Franz B. Chlorophyll a algorithms for oligotrophic oceans: A novel approach based on three-band reflectance difference. J. Geophys. Res. 2012, 117(C1). doi: 10.1029/2011jc007395Paasche E. A Review of the Coccolithophorid Emiliania huxleyi (Prymnesiophyceae), with Particular Reference to Growth, Coccolith Formation, and Calcification-Photosynthesis Interactions // Phycologia. 2002. V. 40, N 6. P. 503–529.Paasche E. A Review of the Coccolithophorid Emiliania huxleyi (Prymnesiophyceae), with Particular Reference to Growth, Coccolith Formation, and Calcification–Photosynthesis Interactions. Phycologia. 40 (6), 503–529 (2002).Mikaelyan A.S., Pautova L.A., Pogosyan S.I., Sukhanova I.N. Summer Bloom of Coccolithophorids in the Northeastern Black Sea // Oceanology. 2005. V. 45, N 1. P. S127—S138.Mikaelyan A.S., Pautova L.A., Pogosyan S.I., Sukhanova I.N. Summer Bloom of Coccolithophorids in the Northeastern Black Sea. Oceanology. 2005, 45, 1, S127—S138.Churilova T., Moiseeva N., Efimova T., Suslin V., Krivenko O., Zemlianskaia E. Annual variability in light absorption by particles and colored dissolved organic matter in the Crimean coastal waters (the Black Sea) // Proc. SPIE10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 104664B (30 November 2017); doi: 10.1117/12.2288339Churilova T., Moiseeva N., Efimova T., Suslin V., Krivenko O., Zemlianskaia E. Annual variability in light absorption by particles and colored dissolved organic matter in the Crimean coastal waters (the Black Sea). Proc. SPIE10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 104664B (30 November 2017). doi: 10.1117/12.2288339Moiseeva N., Churilova T., Efimova T., Krivenko O., Latushkin A. Light absorption coefficients by phytoplankton pigments, suspended particles, and colored dissolved organic matter in the Crimea coastal water (the Black sea) in June 2016 // Proc. SPIE10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 104664C (30 November 2017); doi: 10.1117/12.2288351Moiseeva N., Churilova T., Efimova T., Krivenko O., Latushkin A. Light absorption coefficients by phytoplankton pigments, suspended particles, and colored dissolved organic matter in the Crimea coastal water (the Black sea) in June 2016. Proc. SPIE10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 104664C (30 November 2017). doi: 10.1117/12.2288351Chami M., Shybanov E.B., Churilova T.Y., Khomenko G.A., Lee M.E.-G., Martynov O.V., Berseneva G.A., Korotaev G.K. Optical properties of the particles in the Crimea coastal waters (Black Sea) // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. C11020.Chami M., Shybanov E.B., Churilova T.Y., Khomenko G.A., Lee M.E.-G., Martynov O.V., Berseneva G.A., Korotaev G.K. Optical properties of the particles in the Crimea coastal waters (Black Sea). J. Geophys. Res. 2005, 110, C11020.Копелевич О.В., Шеберстов С.В., Салинг И.В., Вазюля С.В., Буренков В.И. Сезонная и межгодовая изменчивость биооптических характеристик вод поверхностного слоя Баренцева, Белого, Черного и Каспийского морей по спутниковым данным // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2015. Т. 8, № 1. С. 7–16.Kopelevich O.V., Sheberstov S.V., Saling I.V., Vazyulya S.V., Burenkov V.I. Seasonal and interannual variability of the bio-optical characteristics of the waters of the surface layer of the Barents, White, Black and the Caspian Sea according to satellite data. Fundamentalnaya i Prikladnaya Gidrofizika. 2015, 8, 1, 7–16 (in Russian).Чурилова Т.Я., Суслин В.В. О причинах доминирования Emiliania Huxleyi в фитопланктоне глубоководной части Черного моря в начале лета // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2012. № 26–2. С. 195–203.Churilova T.Ya., Suslin V.V. On the reasons for the dominance of Emiliania Huxleyi in phytoplankton of the deep-water part of the Black Sea in early summer. Ecological Safety of the Coastal and Shelf Zones and the Integrated Use of Shelf Resources. 2012, 26–2, 195–203 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.