Sezonowa i przestrzenna zmienność współczynnika absorpcji światła przez cząstki zawiesiny w południowym Bałtyku - opis matematyczny
Justyna Meler1, Mirosława Ostrowska1, Joanna Stoń-Egiert1, Monika Zabłocka1
1Instytut Oceanologii, Polskiej Akademii Nauk, ul. Powstańców Warszawy 55, 81-712 Sopot, Polska, kunicka@iopan.gda.pl (J. Meler)
Wstęp
Absorpcja światła w akwenach naturalnych silnie zależy od optycznych właściwości wszystkich rozpuszczonych i zawieszonych w toni składników wody. Kształt widma tej absorpcji oraz jej intensywność zależą od stężeń tych składników i wzajemnych proporcji pomiędzy nimi. Istotnym składnikiem kształtującym widma całkowitej absorpcji światła w akwenie jest absorpcja zawiesin, ap(). Właściwości absorpcyjne cząstek zawieszonych różnią się znacząco w zależności od ich rodzaju. Spektralny rozkład współczynnika absorpcji światła przez zawieszone w toni organizmy fitoplanktonowe, aph() związany jest z kompozycją barwników zawartych w komórkach glonów i ma dwa maksima w pasmach charakterystycznych dla absorpcji tych barwników. Natomiast absorpcja światła przez pozostałe, niefitoplanktonowe cząstki zawieszone w wodzie morskiej, czyli szczątki organiczne, detrytus i cząstki mineralne, aNAP() charakteryzuje się malejącym z długością fali widmem o eksponencjalnym kształcie. Wzajemne zależności pomiędzy współczynnikami absorpcji światła aph() i aNAP() a stężeniem zawartych w wodzie różnych substancji zawieszonych są przedmiotem badań wielu autorów (Babin i in. 2003, Stæhr i Markager 2004, Sagan 2008, Woźniak i in. 2011). Zawarte w ich pracach analizy i opracowane zależności odnoszą się jednak do wybranych niewielkich obszarów Morza Bałtyckiego i nie uwzględniają sezonowej i przestrzennej zmienności współczynników absorpcji światła przez różne cząstki zawieszone. Morze Bałtyckie położone jest w strefie klimatycznej o dużej zmienności sezonowej. W związku z tym obserwujemy w nim wegetację grup fitoplanktonu związaną z porami roku. Dodatkowo wiosną w obszarze Bałtyku Południowego występuje maksimum spływu wód rzecznych do morza a w okresie od marca do października epizodycznie występują intensywne opady deszczu (tzw. deszcze nawalne), które powodują podtopienia w głębi Polski skutkujące napływem z wodą rzeczną do morza dużych ilości materii organicznej i nieorganicznej pochodzenia lądowego. Poszerzenie wiedzy o czynnikach kształtujących właściwości absorpcyjne akwenów ma istotne znaczenie naukowe i utylitarne (na przykład przy opracowywaniu algorytmów teledetekcyjnych przystosowanych do monitoringu środowiskowego wybranego regionu).
Celem analiz przeprowadzonych w tej pracy było opracowanie uwzględniających sezony i rejony Bałtyku Południowego formuł opisujących zmienności współczynników absorpcji światła zarówno przez cząstki fitoplanktonowe jak i niefitoplanktonowe w funkcji stężeń wybranych substancji zawieszonych. Analizy zostały przeprowadzone dla długości fali 440 nm. Ta długość fali została wybrana ze względu na dużą zmienność właściwości absorpcyjnych cząstek zawieszonych w krótkofalowym rejonie widma widzialnego. Wartości
współczynnika aph(440) zmieniają się w zakresie ponad 3 rzędów wielkości a aNAP(440) 4 rzędów w sposób charakterystyczny dla sezonu i rejonu badań. Ponadto długość fali 440 nm uwzględniana jest powszechnie w zamieszczonych na satelitach czujnikach (np. MODIS OLCI) a co za tym idzie w satelitarnych algorytmach wykorzystywanych w monitoringu środowiska morskiego, na podstawie których można wyznaczać stężenia chlorofilu a czy też stężenia masowego cząstek zawieszonych SPM (Darecki i in. 2008, Woźniak 2014).
1. Materiał i metody
Zrealizowanie celów wymagało zgromadzenia reprezentatywnego banku danych zawierającego określone w próbkach wody pobranej z powierzchniowej warstwy morza:
wartości współczynników absorpcji światła przez cząstki zawieszone ap(440), przez fitoplankton aph(440) i przez cząstki niefitoplanktonowe aNAP(440) [m-1] dla długości fali 440 nm wyznaczone na podstawie zmierzonych odpowiednich gęstości optycznych zawiesiny zgromadzonej na filtrze i następnie pozbawionej barwnych związków absorpcyjnych. Pomiary przeprowadzano za pomocą spektrofotometru dwuwiązkowego UNICAM UV4-100 wyposażonego w sferę integrującą LABSPHERE model RSA-UC-40 o średnicy zewnętrznej 66 mm, zgodnie z metodyką opisaną w Tassan i Ferrari (1995), z późniejszymi poprawkami (Kaczmarek i in.
2003);
stężenia chlorofilu a Tchla [mg m-3] tj. sumy stężeń: chlorofilu a, izomerów optycznych chlorofilu a, oraz pochodnych chlorofilu a, wyznaczone metodą wysokosprawnej chromatografii cieczowej odwróconych faz RP-HPLC (Stoń i Kosakowska 2002, Stoń-Egiert i Kosakowska 2005);
stężenia masowe cząstek zawieszonych w wodzie SPM [g m-3] wyznaczone techniką grawimetryczną (Pearlman i in. 1995).
Rys. 1. Lokalizacja stacji pomiarowych, na których pobierano materiał analizowany w pracy z uwzględnieniem podziału na rejony badań.
Szerokość geograficzna E [deg]
14 15 16 17 18 19 20
Długość geograficzna N [deg]
53.5 54.0 54.5 55.0 55.5
wody otwarte Zatoka Gdańska Zatoka Pomorska estuaria wody przybrzeżne
Próbki wody morskiej, w których wyznaczono te parametry zgromadzono w latach 2006 – 2012 podczas 35 rejsów badawczych r/v Oceania w różnych rejonach południowego Bałtyku:
wodach otwartych, zatokach Gdańskiej i Pomorskiej, wodach przybrzeżnych i estuariach (patrz rys. 1). Łącznie uzyskano 816 kompletów widm współczynników absorpcji aph(λ) i oznaczonych stężeń chlorofilu a, oraz 686 kompletów widm współczynników aNAP(λ) i oznaczonych stężeń cząsteczkowej masy zawieszonej w wodzie.
2. Wyniki
2.1. Zależności pomiędzy współczynnikami absorpcji światła przez fitoplankton aph(440) a stężeniami chlorofilu a Tchla
Zasadność opracowywania lokalnych zarówno w odniesieniu do sezonu jak i rejonu algorytmów wiążących właściwości absorpcyjne fitoplanktonu ze stężeniem chlorofilu a potwierdza rys. 2. Analizowane wartości stężenia chlorofilu a wahają się w granicach 0.35 - 124.8 mg m-3, czyli praktycznie obejmują cały zakres zmienności tego stężenia notowany w wodach Bałtyckich. Natomiast zmienność aph(440) obejmuje ponad trzy rzędy wielkości (od 0.02 do 3.61 m-1).
Rys. 2. Zakresy zmienności empirycznych wartości stężeń chlorofilu a Tchla (a - d) i współczynnika absorpcji światła przez fitoplankton aph(440) (e - h) wyznaczone w poszczególnych sezonach dla wybranych regionów Morza Bałtyckiego.
Przeprowadzone analizy związków pomiędzy aph(440) i Tchla wykazały, że najlepsze wyniki uzyskuje się wykorzystując potęgową postać zależności:
Tchla [mg m-3]
0.1 1 10 100 1000
wody otwarte wody przybrzeżne Zatoka Gdańska Zatoka Pomorska estuaria
Tchla [mg m-3]
0.1 1 10 100 1000
Tchla [mg m-3]
0.1 1 10 100 1000
aph(440) [m-1]
0.01 0.1 1 10 100
wody otwarte wody przybrzeżne Zatoka Gdańska Zatoka Pomorska estuaria
aph(440) [m-1]
0.01 0.1 1 10 100
aph(440) [m-1]
0.01 0.1 1 10 100
lato jesień
wiosna
Tchla [mg m-3]
0.1 1 10 100 1000
aph(440) [m-1]
0.01 0.1 1 10 100
zima
a
e
b
f g
c d
h
wartość maksymalna
75 percentyl
10 percentyl 90 percentyl mediana
średnia 25 percentyl
wartość minimalna
(1) gdzie C1, C2, - współczynniki wyznaczone metodą regresji nieliniowej dla całego zbioru danych oraz dla poszczególnych akwenów i sezonów.
2.2. Zależności pomiędzy współczynnikami absorpcji światła przez cząstki niefitoplanktonowe aNAP(440) i stężeniami masowym cząstek zawieszonych SPM W wodach południowego Bałtyku, cząstki niefitoplanktonowe zawierają również, poza produktami rozpadu fitoplanktonu i pochodzącą z danego ekosystemu zawiesinę mineralną, organiczne i nieorganiczne substancje pochodzenia lądowego. W związku z tym można zaobserwować zależność między wartościami absorpcji aNAP(λ) i stężeniem masy zawiesiny SPM.
W wodach ze znaczącym wpływem substancji spoza danego ekosystemu współczynniki aNAP(λ) mogą zmieniać się w zakresie nawet do czterech rzędów wielkości. Podobny zakres i zbliżone trendy w zmiennościach sezonowych i przestrzennych można zaobserwować w odniesieniu do stężenia SPM (rys. 3). Wykazują one wartości z zakresu 0.02 – 4.196 m-1 dla aNAP(440) i 0.29 – 51.64 g m-3 dla SPM.
SPM [g m-3]
0.01 0.1 1 10 100
SPM [g m-3]
0.01 0.1 1 10 100
wody otwarte wody przybrzeżne Zatoka Gdańska Zatoka Pomorska estuaria
SPM [g m-3]
0.01 0.1 1 10 100
SPM [g m-3]
0.01 0.1 1 10 100
aNAP(440) [m-1]
0.001 0.01 0.1 1 10
aNAP(440) [m-1]
0.001 0.01 0.1 1 10
wody otwarte wody przybrzeżne Zatoka Gdańska Zatoka Pomorska estuaria
aNAP(440) [m-1]
0.001 0.01 0.1 1 10
aNAP(440) [m-1]
0.001 0.01 0.1 1 10
wiosna lato jesień zima
a b c d
e f g h
wartość maksymalna
75 percentyl
10 percentyl 90 percentyl mediana
średnia 25 percenty
wartość minimalna
Rys. 3. Zakresy zmienności empirycznych wartości stężeń masowych cząstek zawieszonych SPM (a - d) i współczynnika absorpcji światła przez cząstki niefitoplanktonowe aNAP(440) (e - h) wyznaczone w poszczególnych sezonach dla wybranych regionów Morza Bałtyckiego.
W przypadku zgromadzonego zbioru danych empirycznych analizowanego w tej pracy najbardziej odpowiednia okazała się potęgowa postać funkcji opisującej badane zależności, w postaci:
(2) gdzie D1 i D2 są współczynnikami wyznaczonymi metodą regresji nieliniowej dla poszczególnych podzbiorów danych.
2.3. Zależności pomiędzy współczynnikami absorpcji światła przez cząstki zawieszone w morzu ap(440) i stężeniami odpowiednich składników wód (Tchla i SPM)
Otrzymane w tej pracy aproksymacje opisujące zależność cząstkowych współczynników absorpcji aph(440) i aNAP(440) od stężeń odpowiednich składników wody morskiej pozwalają na wyznaczenie współczynnika sumarycznej absorpcji światła przez wszystkie cząstki zawieszone w toni ap(440), korzystając z zależności:
ap(440) = aph(440)+ aNAP(440)= f(Tchla,SPM). (3) Rys. 4 przedstawia porównanie wyznaczonych empirycznie wartości współczynnika ap(440) z odpowiednimi wartościami wyznaczonymi na podstawie analizowanych wyżej zależności dla całego zbioru danych analizowanych w tej pracy. Na rys. 4 a i c porównano wartości empiryczne ap(440) z wyznaczonymi na podstawie formuły (3) nie uwzględniających podziału sezonowo przestrzennego. Kolejne rysunki przedstawiają takie porównania dla formuł uwzględniających zarówno sezon jak i rejon badań. (rys. 4 b i d).
ap(440) [m-1]
0.1 1 10
częstość [%]
0 10 20 30
ap(440)obl / ap(440)m
0.1 1 10
częstość [%]
0 10 20 30
ap(440)_measured [m-1]
0.01 0.1 1 10 100
ap(440)obl [m-1 ]
0.01 0.1 1 10 100
ap(440)m [m-1]
0.01 0.1 1 10 100
ap(440)obl [m-1 ]
0.01 0.1 1 10 100
z uwzględnieniem regionu i sezonu b
bez uwzględniania regionu i sezonu
a c
d
Rys. 4. Porównanie wartości mierzonych współczynników absorpcji światła przez wszystkie cząstki zawieszone w wodzie ap(440)m i obliczonych ap(440)obl za pomocą równania (3) oraz rozkład gęstości prawdopodobieństwa ich stosunku w przypadku zastosowania formuł: (a i c) nie uwzględniających ich sezonowo-przestrzennej zmienności oraz (b i d) uwzględniających zmienność zarówno regionalną jak i sezonową.
3. Podsumowanie
Algorytmy pozwalające na wyznaczenie wartości współczynnika sumarycznej absorpcji światła przez cząstki zawieszone w wodach Bałtyku na podstawie stężeń odpowiednich składników tych wód wymagają uwzględnienia zależności zarówno od stężenia chlorofilu a jak i cząstek zwieszonych SPM.
Większą dokładność tych przybliżeń można uzyskać po uwzględnieniu sezonowego i rejonowego charakteru tych zależności.
Stosowanie uwzględniających specyfikę rejonu badań zależności znacząco zwiększa dokładność określania zarówno sumarycznych właściwości absorpcyjnych cząstek zawieszonych w toni, ap(440) jak i ich głównych komponentów na podstawie znanych stężeń chlorofilu a Tchla i cząstek zawieszonych SPM.
Prezentowane szczegółowe analizy zmienności współczynników absorpcji światła przez komórki fitoplanktonu i cząstki niefitoplanktonowe w wodach bałtyckich przyczyniają się rozwoju zdalnych metod określania biooptycznych charakterystyk ekosystemów morskich (Darecki i in. 2008, Woźniak 2014).
Literatura
Babin M., Stramski D., Ferrari G. M., Claustre H., Bricaud A., Obolensky G., Hoepffner N., 2003, Variations in the light absorption coefficient of phytoplankton, nonalgal particles, and dissolved organic matter in coastal waters around Europe, Journal of Geophysical Research, 108(C8), 3211.
Darecki M., Ficek D., Krężel A., Ostrowska M., Majchrowski R., Wozniak S. B., Bradtke K., Dera J., Woźniak B., 2008, Algorithms for the remote sensing of the Baltic ecosystem (DESAMBEM). Part 2: Empirical validation, Oceanologia, 50(4), 509-538.
Kaczmarek S., Stramski D., Stramska M., 2003, The new path length amplification factor investigation, Abstr. Publ. 149, Baltic Sea Sci. Congress, Helsinki.
Pearlman S.R., Costa H.S., Jung R.A., McKeown J.J., Pearson H.E., 1995, Solids (section 2540), w: Standard methods for the examination of water and wastewater, red. A.D. Eaton, L.S. Clesceri, A.E. Greenberg, APHA, Washington, D.C., 253-254.
Sagan S., 2008, Rzeczywiste właściwości optyczne wód Bałtyku, Rozprawy i Monografie 21/2008, IOPAN.
Staehr P.A., Markager S., 2004, Parameterization of the chlorophyll a-specific in vivo light absorption coefficient covering estuarine, coastal and oceanic waters, Int. J. Remote Sens., Vol. 25, Nr 22, 5117-5130.
Stoń-Egiert J., Kosakowska A., 2005, RP-HPLC determination of phytoplankton pigments comparison of calibration results for two columns, Marine Biology, 147, 251-260.
Tassan S., Ferrari G. M., 1995, An Alternative Approach to Absorption Measurements of Aquatic Particles Retained on Filters, Limnology and Oceanography, 40(8), 1358-1368.
Woźniak S.B., 2014, Simple statistical formulas for estimating biogeochemical properties of suspended particulate matter in the southern Baltic Sea potentially useful for optical remote sensing applications, Oceanologia, 56(1), 7-39.
Woźniak S.B., Meler J., Lednicka B., Zdun A., Stoń-Egiert J., 2011, Inherent optical properties of suspended particulate matter in the southern Baltic Sea, Oceanologia, 53(3), 691-729.
