Получены и проанализированы данные по надледной и подледной освещенности почти в двухстах экспериментах, проведенных на 60 станциях в прибрежных районах залива Петра Великого (Японское море) во время устойчивого ледостава с января по март 2010–2016 гг. Измерения осуществляли со льда на гидрологических станциях с помощью автономного зондирующего комплекса SBE-19plus (Sea-Bird Eleсtroniсs. Inс., США). Ослабление освещенности оценивали в двух двухметровых слоях по коэффициентам: К₂₀ — (логарифм отношения ФАР2/ФАР0 — «лёд+подлёдная вода») и К₄₂ — Lg(ФАР4/ФАР2) — в слое воды между горизонтами 2 и 4 м. Было установлено влияние «эффекта лунки» на измерения подледной освещенности. Показано, что «эффект лунки» не проявлялся на глубинах ниже 2 м. Выявлена обратная зависимость подледной освещенности от толщины льда и снежного покрова на его поверхности. При проведении эксперимента в один день (нами было выбрано 11.03.2010 г.), ослабление освещенности было прямо пропорционально толщине льда. Коэффициент детерминации был положительным и значимым. В случае вычисления коэффициента детерминации между этими параметрами в течение всей зимы, он был недостоверным. Предполагается, а затем и подтверждается, что на связь освещенности и толщины льда накладываются другие факторы, в частности, концентрации фитопланктона в подледном слое. Использование дистанционных методов исследования позволило заключить, что средних по сезону значений освещенности в исследуемом регионе достаточно для развития фитопланктона подо льдом.

Предложен метод получения данных по температуре и солености в Азовском море, основанный на совместном использовании результатов гидродинамического моделирования, данных контактных и дистанционных наблюдений. Приведены результаты численных экспериментов, выполненных с помощью трехмерной гидродинамической модели Princeton Ocean Model и данных атмосферного реанализа SKIRON. В качестве начальных условий в модели использованы среднемноголетние данные in situ измерений по температуре и солености за период 1913–2012 гг. Данные in situ использованы в гидродинамической модели в качестве начальных полей температуры и солености. Усвоение этих данных в модель выполнено на основании среднемноголетних значений, усредненных по каждому месяцу измерений и сгруппированных в массивы, относящиеся к поверхностному, среднему и придонному слоям моря. Предварительно выполнен анализ данных in situ, включающий описание многолетней сезонной изменчивости температуры и солености в Азовском море. Предложена процедура усвоения в гидродинамическую модель информации, полученной из стандартных продуктов второго уровня MODIS на основании установленной связи между значениями солености морской воды и биооптическими характеристиками. Результаты показывают преимущества предлагаемого совместного использования спутниковых данных и результатов ассимиляционного моделирования для получения непрерывной информации о термохалинной структуре моря.

Представлены результаты анализа межгодовых изменений среднемесячных значений биооптических характеристик поверхностного слоя вод Баренцева, Карского, Белого, Балтийского, Черного и Каспийского морей за период 1998–2018 годы, рассчитанных по данным спутниковых сканеров цвета.
В качестве основных рассматриваются концентрация хлорофилла и показатель рассеяния назад взвешенными частицами, характеризующие изменчивость содержания фитопланктона и взвешенного вещества; привлекаются и другие характеристики, в частности, показатель поглощения окрашенного органического вещества как индикатор речного стока, также параметры, характеризующие цветения массовых видов фитопланктона, таких как кокколитофоридные цветения в Баренцевом и Черном морях, сине-зеленых водорослей в Балтийском. Большинство биооптических характеристик рассчитаны с помощью региональных алгоритмов, выведенных на основе данных натурных измерений, выполненных в исследуемых морях и учитывающих региональные особенности этих морей. В качестве параметра, характеризующего климатические изменения, приведены среднемесячные значения температуры поверхности моря по данным спутникового сканера MODIS-Aqua.
Статья содержит два основных раздела: в первом представлены данные об изменениях, происшедших в вышеуказанных морях в 2016–2018 гг., в сравнении с наблюдавшимися экстремальными значениями биоптических характеристик; во втором разделе дана систематизация и анализ экстремальных изменений характеристик за весь период наблюдений. Выполненный анализ показал, что в последние годы происходят значительные изменения, связанные в большинстве случаев с цветениями фитопланктона. Рекордный размах межгодовых изменений зарегистрирован в южной части Каспийского моря в июле 2001 г. после вселения гребневика Mnemiopsis — концентрация хлорофилла выросла более чем на порядок. Другой фактор, обусловливающий рекордную изменчивость биооптических характеристик, — речной сток.
Полученные результаты впервые дали количественные представления о происшедших изменениях биооптических характеристик в период 1998–2018 гг. в шести морях, различных по своим природным условиям, и создали основу для дальнейшего анализа, направленного на выявление процессов и факторов, обусловивших эти изменения.

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.

Приведен сравнительный анализ данных натурных измерений спектральной прозрачности воды в диапазоне 400–800 нм для ряда участков акватории Телецкого озера в период устойчивой летней и зимней температурной стратификаций. Летние экспедиции проводились в 2016–2019 гг., в период ледостава в 2018 г. Описано устройство разработанного прибора для измерения спектральной подводной облученности по глубине на длинах волн 303, 361, 590 и 656 нм и представлены результаты измерений для летнего периода 2018 и 2019 гг. Приведены вертикальные профили спектральной подводной облученности по глубинам при максимальной высоте Солнца в отсутствии облачности. Определено, во сколько раз в период ледостава увеличивается спектральная прозрачность воды по сравнению с летом. Показана динамика изменения относительной прозрачности по белому диску в разные годы на участках акватории озера. На основе полученных результатов осуществлено ранжирование участков акватории озера по уровню антропогенного и естественного воздействия со стороны водосбора.

Влияние оптически активных компонентов на спектральные характеристики проникающего излучения и на способность фитопланктона поглощать фотосинтетически активную радиацию исследовали на примере прибрежных вод Черного моря в районе Крымского полуострова, в которых измерения спектральных показателей поглощения света пигментами фитопланктона, неживым взвешенным веществом и окрашенным растворенным органическим веществом проводились во все сезоны 2016 г. Установлено, что увеличение содержания оптически активных компонентов влияет на спектральные характеристики проникающего излучения — смещение длины волны максимума спектра нисходящей облученности на ~25–40 нм в длинноволновую часть, что приводит к понижению удельной эффективности поглощения света пигментами фитопланктона до ~3 раз. Показано, что изменение спектрального состава квантовой облученности, связанное с содержанием любого оптически активного компонента среды, описывается единой зависимостью от величины отношения показателей поглощения света неживой компонентой и пигментами фитопланктона a_CDM(440/ a_ph(440)), которая меняется от оптических глубин.

Проведен анализ вариаций смоделированных коэффициентов яркости моря при прохождении внутренних волн в шельфовой зоне западной части Японского (Восточного) моря в заливе Петра Великого на основе судовых in situ измерений гидрологических и биооптических характеристик морской толщи за 2008–2016 гг. Показано, что наибольшим контрастом для дистанционного наблюдения проявлений внутренних волн в морской толще обладают индексы цвета в диапазоне длин волн 400–500 нм и дистанционно определенные концентрации хлорофилла-а по алгоритмам типа ОС2. Оптимальным спектральным диапазоном для спутниковой идентификации проявления внутренних волн является 440–500 нм с учетом потенциальных ошибок атмосферной коррекции. Получаемые оптические характеристики могут быть напрямую использованы для анализа периода колебаний внутренних волн и их автоматической идентификации на спутниковых изображениях. Положение гребней внутренних волн может быть размазано или смещено, и для его оценки, а также для оценки амплитуды необходимо решение обратной задачи дистанционного зондирования цвета моря с учетом региональных гидрооптических характеристик и непостоянной стратификации оптически-активных компонентов в морской толще, с привлечением данных гидрофизического моделирования.

Региональные биооптические модели восстановления концентраций оптически активных компонентов воды для внутренних водоемов строятся по всему миру. Эта задача оказывается особенно трудной в условиях сильной пространственно-временной изменчивости оптических свойств воды вследствие регулярных неоднородных течений, ветрового форсинга и плюмов впадающих рек. В этом случае результаты традиционных подспутниковых измерений на станциях для описания сезонного состояния водоема или для валидации спутниковых данных теряют информативность, а иногда и рациональность. В качестве альтернативы нами был предложен оригинальный подход, заключающийся в непрерывной синхронной регистрации яркости воды портативным спектрометром и концентраций ее оптически активных компонентов флуоресцентным лидаром с борта скоростного судна. Такой подход обеспечил возможность сбора данных с высоким пространственным и временным разрешениями (8 м и 1 Гц соответственно) с больших площадей за короткий промежуток времени, внутри которого можно считать, что пространственное распределение биооптических характеристик воды остается неизменным. Одновременно с этим эффективность метода не падает и при полевых работах в условиях разрывной облачности. В результате он был успешно применен для создания статистически достоверных моделей восстановления концентраций хлорофилла-а и общей взвеси по спутниковым изображениям высокого разрешения Sentinel-2 и Sentinel-3 применительно к водам Горьковского водохранилища как примера эвтрофного динамичного водоема.

Предлагается метод аппроксимации мгновенной формы взволнованной поверхности как суперпозиции гармонических волн с неизвестными амплитудами, волновыми векторами и фазами. Эти неизвестные параметры определяются с использованием характеристик бликов, таких как их координаты и площади. Показывается, что при определённом соотношении числа гармоник и бликов эти неизвестные могут быть определены как решение выведенной системы нелинейных уравнений. Далее решена задача восстановления мгновенного изображения подводного объекта, искажённого поверхностным волнением. Разработан алгоритм восстановления искажённого волнением исходного изображения, основанный на аппроксимации мгновенной формы взволнованной поверхности. Проведён натурный эксперимент, результаты которого показали работоспособность метода. Отмечаются причины, затрудняющие достаточно хорошее восстановление, и пути устранения этих затруднений. Показывается, что при априори известной форме объекта глубину его нахождения можно определить по критерии: «как глубина наилучшего восстановления формы объекта». Добавление к разработанному алгоритму модулей, учитывающих рассеяние и поглощение света в атмосфере и в морской воде, позволит применить его для коррекций изображений подводных объектов, снятых с летательных аппаратов.

Наибольшая изменчивость экологического состояния прибрежных вод наблюдается в районах впадения рек. Плюмы рек могут отличаться от окружающей морской воды как по составу примесей, так и по их концентрации. При этом размеры и положение плюмов характеризуются сильной изменчивостью. Для мониторинга таких акваторий требуется проведение измерений с хорошим пространственным и временным разрешением. Продемонстрирована возможность оперативной оценки распределения естественных компонент морской воды в районе речного плюма у Кавказского побережья Черного моря методом пассивного оптического зондирования с борта судна. Для этого использовался портативный трехканальный гиперспектральный комплекс ЭMMA — экологический мониторинг морских акваторий, установленный на гиростабилизированной платформе. Данные комплекса ЭММА были обработаны специальным алгоритмом, позволяющим получить спектры поглощения света морской водой и оценить концентрации природных компонент в ее составе. Обсуждается эффективность работы гиростабилизированного комплекса по сравнению с измерениями без стабилизации. Показана возможность получения оценок концентрации основных естественных составляющих морской воды гиростабилизированным комплексом ЭММА в условиях неравномерного освещения при низком положении солнца, что существенно расширяет временные рамки проведения измерений. Представленный комплекс может быть полезен при проведении подспутниковых измерений в прибрежных районах океана и внутренних морях, включающих речные плюмы.

С целью проведения экологического мониторинга и получения оперативных данных о состоянии исследуемой акватории был создан зондирующий спектральный измеритель флюоресценции и рассеяния света. Он позволяет одновременно проводить измерения флюоресценции фитопланктона, растворенного органического вещества и рассеяния света в морской воде, в спектральном диапазоне, охватывающем область от ближнего ультрафиолета до красной границы видимого спектра. Получение спектров указанных параметров производятся в одном и том же измерительном объеме, что избавляет от необходимости согласовывать полученные сигналы по объёму флюоресцирующего вещества. Результаты проверки функционирования прибора в лабораторных условиях на образцах монокультур фитопланктона, обитающего в водах Чёрного моря, показали хорошее совпадение измерений с литературными данными. В ходе испытаний прибора во время 106-го рейса на НИС «Профессор Водяницкий» весной 2019 г. были произведены измерения на 77 гидрологических станциях следующих параметров: профилей вертикального распределения флюоресценции фитопланктона; растворённого органического вещества и упругого рассеяния света. В результате были получены сведения о вертикальном распределении измеряемых параметров на исследованных акваториях Чёрного моря. Результаты проведённых испытаний представленного измерителя позволили апробировать техническое исполнение и методологию работы с данным измерителем.

Дано описание макета нового компактного лазерного локатора, предназначенного для дистанционной регистрации характеристик морского волнения с борта судна. Прибор регистрирует с помощью ПЗС-линейки отраженное от морской поверхности лазерное излучение, имеющее форму «веера». В макете использован лазерный диод Oclaro HL63193, работающий в непрерывном режиме в области длин волн 634–637 нм с выходной мощностью до 500 мВт. Освещаемый лазером участок на морской поверхности представляет собой полосу шириной 4–5 мм и длиной 2–3 м (при размещении макета на судне на высоте 6–9 м над уровнем моря). Приемный блок макета выполнен на базе кинопроекционного объектива ОП-55АР и ПЗС-линейки Sony ILX554A. Выполнена проверка работоспособности макета в лабораторных и морских условиях. Показано, что скорость сканирования морской поверхности может быть значительно выше (до 833 Гц), чем у ранее созданных макетов с узким пучком, когда используется механическое сканирование зеркала (7–15 Гц). Это позволяет увеличивать скорость накопления данных и тем самым уменьшать дисперсию измеряемых за заданное время величин, что в свою очередь делает возможным регистрацию более слабых воздействий гидродинамических процессов на морскую поверхность. При этом масса макета уменьшилась до 5 кг вместо 35 кг (у макета с узким пучком и механическим сканером).

В интересах Всемирной Глобальной Научной Программы «Будущее Земли» проблемы эволюции, климата, экологии, глобального мониторинга и дистанционного зондирования Земли рассматриваются как радиационный фактор и исследуются на основе теории переноса излучения как сопряженные с учетом рассеяния и поглощения солнечного и собственного излучения. В теоретических и прикладных исследованиях в науках о Земле внедрился термин «Глобальная система», введенный Н.Н. Моисеевым: необходимы анализ и синтез знаний о развитии планетарной цивилизации. Особую значимость приобретает проблема адекватной оценки роли и веса моделируемых подсистем в долгосрочной эволюции всей «Глобальной системы», связанных в том числе с радиационным полем Земли. Радиационное поле Земли — единое физическое поле (электромагнитное излучение) и объединяющий фактор динамической системы Земля. Разработаны модели учета обмена и разделения вкладов излучения атмосферы и океана. По оценке экспертов радиационный фактор влияния на климатическую систему Земли составляет от 40 % до 60 %. Р.И. Нигматулин выдвинул гипотезу: «Океан — диктатор климата». Н₂О и СО₂, облачность и океан — главные конкурирующие факторы радиационного форсинга. Для исследований радиационного фактора влияния Мирового океана на изменение климата и эволюцию Земли необходимо международное сотрудничество с привлечением комплексных систем наблюдений радиационных процессов под водой, на воде и из космоса при поддержке суперкомпьютерного моделирования и big data.