Концентрация хлорофилла «а» и поглощение света окрашенным растворенным органическим веществом в Черном море зимой (2018) и летом (2020)

В работе были использованы результаты исследований в Черном море в ходе экспедиций НИС «Профессор Водяницкий» — с 24 ноября по 10 декабря 2018 г. (PV105), с 4 по 24 июня 2020 г. (PV113). Получены новые для Черного моря данные о поглощении света окрашенным растворенным органическим веществом (CDOM) в зимний и летний периоды года. Зимой в поверхностном слое моря содержание CDOM, маркером которого является показатель поглощения a_CDOM(438) (0,10 ± 0,015 м^–1), превышало летние значения (0,062 ± 0,025 м^–1). Сезонных различий по средним значениям спектрального наклона (S_CDOM) не установлено (0,019 нм^-1).Однако, вариабельность значений S_CDOM летом отмечена в более широком диапазоне (0,015 до 0,026 нм^–1), чем зимой (0,017–0,021 нм^–1). Высокие летние значения S_CDOM являются следствием фотодеструкции CDOM в поверхностном слое моря летом. Установлена обратная связь между a_CDOM(438) и S_CDOM, которая описывается степенной зависимостью. Показаны сезонные различия в содержании хлорофилла а (TChl-a) в верхнем квазиоднородном слое (1,1 ± 0,43 мг м^–3 зимой и 0,32 ± 0,11 мг м^–3 летом) и в характере вертикального распределения TChl-a, обусловленные гидрологической структурой вод: зимой — однородное распределение в пределах верхнего квазиоднородного слоя, который соизмерим или превышает зону фотосинтеза, летом — наличие слоя максимальных концентраций хлорофилла а вблизи нижней границы зоны фотосинтеза. Связи между a_CDOM(438) и TChl-a не выявлено.

1. Mobley C.D. The Oceanic Optics Book. Dartmouth: International Ocean Colour Coordinating Group, 2022. 924 p.

2. Kopelevich O.V. et al. Application of SeaWiFS data for studying variability of bio-optical characteristics in the Barents, Black and Caspian Seas // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2004. Vol. 51, N 10–11. P. 1063–1091. doi:10.1016/j.dsr2.2003.10.009

3. Nelson J.R., Guarda S. Particulate and dissolved spectral absorption on the continental shelf of the southeastern United States // Journal of Geophysical Research. 1995. Vol. 100. N C5. P. 8715–8732. doi:10.1029/95JC00222

4. Bricaud A. et al. Variations of light absorption by suspended particles with chlorophyll a concentration in oceanic (case 1) waters: Analysis and implications for bio-optical models // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1998. Vol. 103. N C13. P. 31033–31044. doi: ff10.1029/98JC02712f

5. Bricaud A. et al. Variability in the chlorophyll-specific absorption coefficients of natural phytoplankton: Analysis and parameterization // Journal of Geophysical Research. 1995. Vol. 100. N C7. P. 13321–13332. doi:10.1029/95JC00463

6. Hoepffner N., Sathyendranath S. Effect of pigment composition on absorption properties of phytoplankton // Marine Ecology-Progress Series. 1991. Vol. 73. P. 11–23.

7. Hooker S.B. et al. SeaWiFS Postlaunch Technical Report Series Vol. 11, SeaWiFS Postlaunch Calibration and Validation Analyses, Part 3. NASA Technical Memorandum. Greenbelt, Maryland: NASA Goddard Space Flight Center. 2000. 49 p.

8. Groom S. et al. Satellite Ocean Colour: Current Status and Future Perspective // Frontiers Marine Science. 2019. Vol. 6:485. doi:10.3389/fmars.2019.00485

9. Kirk J.T.O. Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems. 3rd. Cambridge: University Press, 2011. 665 p.

10. Falkowski P.G., Raven J.A. Aquatic Photosynthesis. 2nd edn. Oxford: Princeton University Press, 2007. 484 p.

11. Ferreira A., Garcia V.M.T., Garcia C.A.E. Light absorption by phytoplankton, non-algal particles and dissolved organic matter at the Patagonia shelf-break in spring and summer // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2009. Vol. 56, N 12. P. 2162–2174. doi:10.1016/j.dsr.2009.08.002

12. Tilstone G.H. et al. High concentrations of mycosporine‐like amino acids and colored dissolved organic matter in the sea surface microlayer off the Iberian Peninsula // Limnology and Oceanography. 2010. Vol. 55, N 5. P. 1835–1850. doi:10.4319/lo.2010.55.5.1835

13. Matsuoka A. et al. Tracing the transport of colored dissolved organic matter in water masses of the Southern Beaufort Sea: relationship with hydrographic characteristics // Biogeosciences. 2012. Vol. 9, N 3. P. 925–940. doi:10.5194/bg-9-925-2012

14. Nelson N.B., Siegel D.A. The Global Distribution and Dynamics of Chromophoric Dissolved Organic Matter // Annual Review of Marine Science. 2013. Vol. 5, N 1. P. 447–476. doi:10.1146/annurev-marine-120710-100751

15. D’Sa E.J. et al. Absorption and fluorescence properties of chromophoric dissolved organic matter of the eastern Bering Sea in the summer with special reference to the influence of a cold pool // Biogeosciences. 2014. Vol. 11, N 12. P. 3225– 3244. doi:10.5194/bg-11-3225-2014

16. Churilova T. et al. Annual variability in light absorption by particles and colored dissolved organic matter in the Crimean coastal waters (the Black Sea) // Proceedings of SPIE: 23th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 2017. Vol. 10466. P. 245. doi:10.1117/12.2288339

17. Efimova T.V. et al. Spectral bio-optical properties of the Black Sea coastal waters (near Sevastopol) in summer 2020– 2021 // Proceedings of SPIE: 28th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 2022. Vol. 12341, N123414U. doi:10.1117/12.2645084

18. Yushmanova A. et al. Inter-Annual Variability of the Seawater Light Absorption in Surface Layer of the Northeastern Black Sea in Connection with Hydrometeorological Factors // Journal of Marine Science and Engineering. 2019. Vol. 7, N 9. P. 326. doi:10.3390/jmse7090326

19. Pogosyan S.I. et al. Absorption spectroscopy of microalgae, cyanobacteria, and dissolved organic matter: Measurements in an integrating sphere cavity / Ed. by D.C. Wash // Oceanology. 2009. N49. P. 866–871.

20. Mannino A. et al. Measurement protocol of absorption by Chromophoric Dissolved Organic Matter (CDOM) and other dissolved materials // IOCCG Ocean Optics and Biogeochemistry Protocols for Satellite Ocean Colour Sensor Validation, 2019.

21. Morel A., Berthon J. Surface pigments, algal biomass profiles, and potential production of the euphotic layer: Relationships reinvestigated in view of remote‐sensing applications // Limnology and Oceanography. 1989. Vol. 34, N 8. P. 1545–1562. doi:10.4319/lo.1989.34.8.1545

22. Ведерников В.И. Первичная продукция и хлорофилл в Черном море в летне-осенний период // Структура и продукционные характеристики планктонных сообществ // Сборник научных работ / ред. Виноградов М.Е. и Флинт М.В. М.: Наука, 1989. С. 65–83.

23. Jeffrey S.W., Humphrey G.F. New spectrophotometric equations for determining chlorophylls a, b, c1 and c2 in higher plants, algae and natural phytoplankton // Biochemie und Physiologie der Pflanzen. 1975. Vol. 167, N 2. P. 191–194.

24. Helms J.R. et al. Absorption spectral slopes and slope ratios as indicators of molecular weight, source, and photobleaching of chromophoric dissolved organic matter // Limnology and Oceanography. 2008. Vol. 53, N. 3. P. 955–969. doi:10.4319/lo.2008.53.3.0955

25. Vähätalo A.V., Wetzel R.G. Photochemical and microbial decomposition of chromophoric dissolved organic matter during long (months–years) exposures // Marine Chemistry. 2004. Vol. 89. P. 313–326. doi:10.1016/j.marchem.2004.03.010

26. Чурилова Т.Я. и др. Спектральный подход к оценке скорости фотосинтеза фитопланктона в Черном море по спутниковой информации: методологические аспекты развития региональной модели // Журнал Сибирского федерального университета. Серия «Биология». 2016. Т. 9, № 4. С. 367–384.

27. Schwarz J. et al. Two models for absorption by coloured dissolved organic matter (CDOM) // Oceanologia. 2002. Vol. 44, N 2. P. 209–241.

28. Иванов В.А., Белокопытов В.Н. Океанография Черного моря. Севастополь: НАН Украины, Морской гидрофизический институт, 2011. 209 с.

29. Finenko Z., Churilova T., Lee R. Dynamics of the Vertical Distributions of Chlorophyll and Phytoplankton Biomass in the Black Sea // Oceanology. 2005. Vol. 45, Suppl. 1. P. 112–126.

30. Geider R.J., MacIntyre H.L., Kana T.M. Dynamic model of phytoplankton growth and acclimation: responses of the balanced growth rate and chlorophyll a: carbon ratio to light, nutrient limitation and temperature // Marine Ecology Progress Series. 1997. Vol. 148. P. 187–200. doi:10.3354/meps148187

31. MacIntyre H.L. et al. Photoacclimation of Photosynthesis Irradiance Response Curves and Photosynthetic Pigments in Microalgae and Cyanobacteria // Journal of Phycology. 2002. Vol. 38, N1. P. 17–38. doi:10.0000/135184797337543

32. Babin M. et al. Nitrogen- and irradiance-dependent variations of the maximum quantum yield of carbon fixation in eutrophic, mesotrophic and oligotrophic marine systems // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 1996. Vol. 43, N 8. P. 1241–1272. doi:10.1016/0967-0637(96)00058-1

33. Финенко З.З. и др. Действие света, температуры и биогенных элементов на отношение углерод фитопланктона: хлорофилл а // Морской экологический журнал. 2003. Т. 2, № 2. С. 40–64.

34. Falkowski P.G., Owens T.G. Light — Shade Adaptation: Two Strategies In Marine Phytoplankton // Plant Physiology. 1980. Vol. 66. N 4. P. 592–595. doi:10.1104/pp.66.4.592

35. Финенко З.З., Чурилова Т.Я., Ли Р.И. Вертикальное распределение хлорофилла и флуоресценции в Черном море // Морской экологический журнал. 2005. Т. 4, № 1. C. 15–45.

36. Churilova T. et al. Phytoplankton light absorption in the deep chlorophyll maximum layer of the Black Sea // European Journal of Remote Sensing. 2019. Vol. 52. P. 123–136. doi:10.1080/22797254.2018.1533389

37. Twardowski M.S., Donaghay P.L. Photobleaching of aquatic dissolved materials: Absorption removal, spectral alteration, and their interrelationship // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2002. Vol. 107, N C8. doi:10.1029/1999JC000281

38. Suslin V.V., Korolev S.N., Kucheryaviy A.A., Churilova T.Y., Krivenko O.V. Photosynthetically available radiation on surface of the Black Sea based on Ocean Color data // Proceedings of SPIE — The International Society for Optical Engineering, Tomsk, 2015. P. 96800T.

39. Nelson N.B., Siegel D.A. Chromophoric DOM in the Open Ocean // Biogeochemistry of Marine Dissolved Organic Matter. Elsevier. 2002. P. 547–578.

40. Churilova T. et al. Parameterization of Light Absorption of Phytoplankton, Non-Algal Particles and Coloured Dissolved Organic Matter in the Atlantic Region of the Southern Ocean (Austral Summer of 2020) // Remote Sensing. Seawater Bio-Optical Characteristics from Satellite Ocean Color Data II, 2023. Vol. 15, N 3. P. 634. doi:10.3390/rs15030634

41. Efimova T. et al. Light Absorption by Optically Active Components in the Arctic Region (August 2020) and the Possibility of Application to Satellite Products for Water Quality Assessment // Remote Sensing. 2023. Vol. 15, N 17. P. 4346.

42. Matsuoka A. et al. Seasonal variability in the light absorption properties of western Arctic waters: Parameterization of the individual components of absorption for ocean color applications // Journal of Geophysical Research. Oceans. 2011. Vol. 116, N2. doi:10.1029/2009JC005594

43. Ferreira A., Ciotti Á.M., Garcia C.A.E. Bio-optical characterization of the northern Antarctic Peninsula waters: Absorption budget and insights on particulate backscattering // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2018. Vol. 149. P. 138–149. doi:10.1016/j.dsr2.2017.09.007

44. Bricaud A. et al. Light absorption properties and absorption budget of Southeast Pacific waters // Journal of Geophysical Research. 2010. Vol. 115, N C8. P. C08009. doi:10.1029/2009JC005517

45. Babin M., Stramski D., Ferrari G.M., Claustre H., Bricaud A., Obolensky G., Hoepffner N. Variations in the light absorption coefficients of phytoplankton, nonalgal particles, and dissolved organic matter in coastal waters around Europe // Journal of Geophysical Research. Oceans. 2003. Vol. 108, N C7. doi:10.1029/2001JC000882

46. Gonçalves­Araujo R., Röttgers R., Haraguchi L., Brandini F.P. Hydrography-Driven Variability of Optically Active Constituents of Water in the South Brazilian Bight: Biogeochemical Implications // Frontiers Marine Science. 2019. Vol. 6. doi:10.3389/fmars.2019.00716

47. Carder K.L., Steward R. Marine humic and fulvic acids: Their effects on remote sensing of ocean chlorophyll // Limnology and Oceanography. 1989. Vol. 34. P. 68–81. doi:10.4319/lo.1989.34.1.0068

48. Vantrepotte V. et al. CDOM-DOC relationship in contrasted coastal waters: implication for DOC retrieval from ocean color remote sensing observation // Optics Express. 2015. Vol. 23, N 1. P. 33. doi:10.1364/OE.23.000033

49. Danhiez F.P. et al. Optical properties of chromophoric dissolved organic matter during a phytoplankton bloom. Implication for DOC estimates from CDOM absorption // Limnology and Oceanography. 2017. Vol. 62, N 4. P. 1409–1425. doi:10.1002/lno.10507

50. Чурилова Т.Я. и др. Спектральные показатели поглощения света взвешенным веществом и растворенным органическим веществом в Азовском море // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 3. С. 73–83. doi:10.59887/fpg/ex1p-9vtp-phu8