Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света

По индикатрисам рассеяния света, измеренным в оз. Байкал, рассчитаны характеристики взвеси: массовая концентрация и численность частиц минеральной и биологической фракций, их средний радиус, параметр дисперсности минеральных частиц. Получены данные о вертикальном распределении характеристик взвеси в...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автор:	Маньковский, В.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2011
Назва видання:	Морской гидрофизический журнал
Теми:	Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56688
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света / В.И. Маньковский // Морской гидрофизический журнал. — 2011. — № 3. — С. 14-32. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-56688
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-566882014-02-23T03:14:00Z Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света Маньковский, В.И. Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана По индикатрисам рассеяния света, измеренным в оз. Байкал, рассчитаны характеристики взвеси: массовая концентрация и численность частиц минеральной и биологической фракций, их средний радиус, параметр дисперсности минеральных частиц. Получены данные о вертикальном распределении характеристик взвеси в разных районах озера в летний период. Проведено сравнение характеристик взвеси в зонах подъема и опускания вод в оз. Байкал и Индийском океане, показавшее ее одинаковый специфический состав. За індикатрисами розсіяння світла, виміряним в оз. Байкал, розраховані характеристики суспензії: масова концентрація і чисельність частинок мінеральної і біологічної фракцій, їх середній радіус, параметр дисперсності мінеральних частинок. Отримані дані про вертикальний розподіл характеристик суспензії в різних районах озера в літній період. Проведене порівняння характеристик суспензії в зонах підйому та опускання вод в оз. Байкал і в Індійському океані, що показало її однаковий специфічний склад. Light scattering functions measured in the lake Baikal are used for calculating suspended matter parameters: mass concentration and quantity of mineral and biological particles, their average radius, parameter of mineral particles dispersivity. Data on vertical distribution of suspended matter characteristics in various regions of the lake in summer are obtained. Comparison of suspended matter characteristics in the upwelling and downwelling zones of the lake Baikal and in the Indian Ocean shows its similar specific composition in these zones. 2011 Article Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света / В.И. Маньковский // Морской гидрофизический журнал. — 2011. — № 3. — С. 14-32. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0233-7584 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56688 551.463.5 ru Морской гидрофизический журнал Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана
spellingShingle	Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Маньковский, В.И. Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света Морской гидрофизический журнал
description	По индикатрисам рассеяния света, измеренным в оз. Байкал, рассчитаны характеристики взвеси: массовая концентрация и численность частиц минеральной и биологической фракций, их средний радиус, параметр дисперсности минеральных частиц. Получены данные о вертикальном распределении характеристик взвеси в разных районах озера в летний период. Проведено сравнение характеристик взвеси в зонах подъема и опускания вод в оз. Байкал и Индийском океане, показавшее ее одинаковый специфический состав.
format	Article
author	Маньковский, В.И.
author_facet	Маньковский, В.И.
author_sort	Маньковский, В.И.
title	Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света
title_short	Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света
title_full	Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света
title_fullStr	Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света
title_full_unstemmed	Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света
title_sort	структура взвеси в озере байкал по измерениям индикатрис рассеяния света
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56688
citation_txt	Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света / В.И. Маньковский // Морской гидрофизический журнал. — 2011. — № 3. — С. 14-32. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Морской гидрофизический журнал
work_keys_str_mv	AT manʹkovskijvi strukturavzvesivozerebajkalpoizmereniâmindikatrisrasseâniâsveta
first_indexed	2025-07-05T07:56:59Z
last_indexed	2025-07-05T07:56:59Z
_version_	1836792906748264448
fulltext	ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 14 © В.И. Маньковский, 2011 УДК 551.463.5 В.И. Маньковский Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света По индикатрисам рассеяния света, измеренным в оз. Байкал, рассчитаны характеристики взвеси: массовая концентрация и численность частиц минеральной и биологической фракций, их средний радиус, параметр дисперсности минеральных частиц. Получены данные о верти- кальном распределении характеристик взвеси в разных районах озера в летний период. Прове- дено сравнение характеристик взвеси в зонах подъема и опускания вод в оз. Байкал и Индий- ском океане, показавшее ее одинаковый специфический состав. Ключевые слова: индикатриса рассеяния, обратные задачи, взвесь. Введение Индикатрисы рассеяния света содержат информацию о параметрах дис- персной среды, которые можно определить, решая обратные задачи светорас- сеяния. Процедура обращения характеристик светорассеяния упрощается при решении так называемых ограниченных обратных задач [1]. При решении таких задач используют показатели рассеяния света в данном направлении )(θσ , содержащие информацию о концентрации частиц в воде. Выбор опти- мальных углов θ зависит от размера частиц – чем больше их радиус, тем меньше этот угол. В работе приводятся результаты определения характеристик взвеси в во- дах оз. Байкал, полученных по измерениям индикатрис рассеяния света с ис- пользованием формул для обратных задач из работ [2, 3]. Время и районы измерений Измерения индикатрис рассеяния света на оз. Байкал были выполнены в 1979 г. во время экспедиции на НИС «Г.Ю. Верещагин», проведенной Лим- нологическим институтом (СО АН СССР, г. Иркутск) совместно с Морским гидрофизическим институтом (МГИ АН УССР, г. Севастополь). В период 11 июля – 1 августа экспедицией выполнено 20 станций на основном разрезе, проходившем по средней линии озера, ряд станций на поперечных разрезах через озеро и 3 станции на разрезе через пролив Малое море. На рис. 1 пока- зано расположение станций, на которых измерялись индикатрисы рассеяния света. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 15 Р и с. 1. Положение станций, на которых проводились измерения индикатрис рассеяния света Состояние вод озера Гидрологическая ситуация в оз. Байкал в период наблюдений была неод- нородной. В Южном и Среднем Байкале, в Малом море и в небольшой части Северного Байкала, около устья р. Верхняя Ангара, поверхностные слои уже были значительно прогреты и хорошо стратифицированы. Толщина прогре- того слоя с температурой воды выше 6°С составляла 10 – 15 м. Наиболее про- гретыми, до 15°С на поверхности, были воды в районе устья р. Селенги. По- ступая в озеро, они обусловили этот локальный максимум. Холодной и слабо стратифицированной оставалась бóльшая часть северной котловины озера. В соответствии cо степенью прогрева воды в разных фазах развития находился фитопланктон: его концентрация значительно возрастала в прогретых водах, что отражалось на оптических характеристиках вод. На рис. 2 показано рас- пределение по осевой линии озера температуры воды на поверхности, про- зрачности воды по белому диску и концентрации хлорофилла на глубине 0 м. В Малом море эти показатели составили: на ст. М1 7á =Z м, 41,1õë =C мг/л; на ст. М2 и М3 6á =Z м. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Номера станций П а р а м е тр ы Температура воды, °C Прозрачность , м Хлорофилл, мг/куб.м(×2) Р и с. 2. Распределение характеристик поверхностных слоев воды на продольном разрезе через озеро Р и с. 3. Схема циркуляции вод в поверхностном слое (0 – 25 м) в период измерений ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 17 На рис. 3 приведена схема циркуляции вод в озере в период наблюдений, составленная сотрудником Лимнологического института М.Н. Шимараевым на основе анализа распределения температуры воды. При общей циклонической циркуляции, охватывающей все озеро, в разных районах имелись локальные циклонические вихри. Особенно они были развиты в северной части Байкала. Аппаратура и методика измерений Измерения индикатрис рассеяния света проводились нефелометром, раз- работанным в отделе оптики Морского гидрофизического института [4]. Тех- нические характеристики образца, использованного в измерениях на оз. Байкал, следующие. Углы измерений, град 2; 7,5; далее через 5 до 162,5 Расходимость пучка света, град 1,07 Угол зрения фотоприемника, град 1,07 Спектральная область измерений, нм 520 ± 40 Погрешность измерений )(θσ , % 10 Время измерения индикатрисы, мин 7 Глубина погружения, м 250 Режим работы Автоматический Измерения индикатрис выполнялись на глубинах 5, 25, 50, 150 м. На ка- ждой глубине индикатриса измерялась 2 – 4 раза, для расчетов брались сред- ние значения. Необходимые для расчетов по формулам из работ [2, 3] показатели рас- сеяния на углах менее 2° находились путем экстраполяции индикатрисы в эту область по формуле 2)(lg θθθσ CBA ++= . Для этого использовались три экспериментальные точки: )2( °σ , )5,7( °σ , )5,12( °σ . Показатели рассеяния в настоящей работе приводятся при десятичном основании. Расчетные формулы Работа [2]. В данной работе проводилось обращение индикатрис рассея- ния в морской воде c использованием для крупной взвеси метода малых уг- лов, для мелкой взвеси – метода подбора по моделям рассеяния частицами с распределением их численности по закону Юнге γ−rN ~ìèí . Взвесь разбита на три фракции с радиусами частиц: 5,02,0 −=r мкм (минеральные), 0,15,0 −=r мкм (минеральные), 0,1>r мкм (органические). Для длины вол- ны 546 нм получены параметры регрессии между угловыми показателями рассеяния )(θσ и содержанием частиц y : nmy += )(θσ . ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 18 При расчетах весовой концентрации для минеральных частиц плотность принималась равной 2 г/см3, для органических – 1 г/см3. Оптимальные коэф- фициенты регрессии m , n и среднеквадратические относительные ошибки yδ приведены в табл. 1. Т а б л и ц а 1 Оптимальные значения коэффициентов регрессии nmy += )(θσ Численность частиц N , млн. шт./л Массовая концентрация C , мг/л Радиус частиц r , мкм Угол рас- сеива-ния °θ m n Nδδδδ m n Cδδδδ 0,2 – 0,5 1,0 6,9⋅104 –1,0 0,29 2,05⋅104 –3,0 0,16 0,5 –1,0 6,0 21,9 0,2 0,14 55,3 0,5 0,14 > 1,0 45,0 0,46 0,3 0,35 27,6 16,0 0,20 Работа [3]. Формулы для определения параметров взвеси получены по расчетам модельных индикатрис рассеяния морской взвесью. Численность мелких (минеральных) частиц с радиусами 0,2 – 1,0 мкм задавалась распре- делением Юнге γ−rN ~ìèí с параметром дисперсности 0,65,2 −=γ . Распре- деление численности крупных (биологических) частиц áèîN описывалось ло- гарифмически-нормальным законом. В результате расчетов индикатрис рассеяния при различном составе взвеси для длины волны 546 нм применительно к обеим фракциям взвеси по- лучено общее соотношение [ ]{ } [ ] DCBA P ++−= )(/)(lg)(/)(lg 2121 θσθσθσθσξ , (1) которое позволяет в зависимости от коэффициентов A , B , C , D , P по из- меренным значениям )15( 1 °=θσ и )90( 2 °=θσ определить параметр дис- персности γ и объемную концентрацию мелких частиц, а по измеренным значениям )5,0( 1 °=θσ и )0,2( 2 °=θσ – средний размер крупных частиц и их объемную концентрацию. При пересчете объемной концентрации взвеси в весовую плотность вещества минеральных частиц принята равной 2 г/см3, биологических – 1 г/см3. Коэффициенты формулы (1) определяются по специальной таблице для двух ситуаций в зависимости от величины параметра [ ])90(/)15(lg °° σσ . Ошибки определения параметров взвеси (методическая плюс приборная), рассчитанные в [3] с учетом погрешности оптических измерений 10%, состав- ляют: параметр γ – в пределах 10 – 20%; объемная концентрация мелкой взвеси ìèíC – до 30%; объемная концентрация крупной взвеси áèîC и средний радиус частиц при >< áèîr менее 10 мкм – до 30%, при >< áèîr более 10 мкм – до 60%. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 19 Параметр распределения γ , определенный по формуле (1), позволяет рассчитать средний радиус частиц мелкой взвеси >< ìèír , используя приня- тые в модели пределы изменения их радиусов: 02,0min =r мкм, 0,2max =r мкм. Расчеты ведутся по формуле [ ] )()()2/()1( 1 min 1 max 2 min 2 maxìèí γγγγγγ −−−− −−−−=>< rrrrr . (2) Валидация расчетных формул Расчетные формулы в работах [2, 3] получены для длины волны 546 нм. Измерения индикатрис рассеяния света нефелометром проводились в спек- тральной области 520 ± 40 нм. В связи с этим необходимо было выяснить, как будут «работать» расчетные формулы применительно к данному нефеломет- ру. Для этого было проведено сопоставление результатов, полученных опти- ческим и весовым методами. Для определения концентрации взвеси весовым методом одновременно с измерением индикатрис на тех же глубинах отбирались пробы воды. Анализ проб весовым методом был выполнен сотрудником Лимнологического ин- ститута Е.Н. Тарасовой. По результатам измерений в 25 пробах, концентра- ция взвеси в которых изменялась в пределах 25,140,0âåñ −=C мг/л, было рас- считано отношение ðàñ÷âåñîòí / ÑÑK = : по формулам из работы [2] 058,1îòí =Ê , по формулам из [3] 093,1îòí =Ê . Вследствие незначительной разницы в дан- ных, полученных оптическим и весовым методами, было решено коррекцию оптических данных не проводить. С учетом валидации расчетных формул в настоящей работе для определения массовой концентрации и численности частиц разных фракций использовались формулы из работы [2]. По формулам из работы [3] определялся средний радиус крупных и мелких частиц и параметр γ дисперсности мелких частиц. Результаты и их обсуждение Массовая концентрация взвеси. На рис. 4 – 6 показано распределение на продольном разрезе через оз. Байкал суммарной концентрации взвеси и отно- сительного содержания в ней мелких фракций на глубинах 5, 25, 150 м. На глубине 5 м наблюдались наиболее высокие значения концентрации суммарной взвеси: 53,129,0ñóì.5ì −=C мг/л. Минимальные значения зареги- стрированы в холодных водах северной части Байкала, максимальные – в прогретых водах южной и средней частей, в которых происходило цветение планктона. Концентрация взвеси тесно коррелировала с температурой воды на поверхности. Количественно это выразилось формулой 028,1 ñóì.5ì 1,0 TC = , коэффициент корреляции 786,0=R . ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 20 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Номера станций С у м м а р н а я к о н ц е н тр а ц и я в зв е с и С с у м , м г/ л 5 м 25 м 150 м Р и с. 4. Распределение на продольном разрезе через озеро суммарной концентрации взвеси на разных глубинах Р и с. 5. Распределение на продольном разрезе через озеро относительной концентрации во взвеси фракции с радиусами частиц 0,2 – 0,5 мкм 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Номера станций О тн о с и те л ь н а я к о н ц е н тр а ц и я с а м о й м е л ко й ф р а кц и и в зв е с и С 0 .2 -0 .5 м км / С с у м 5 м 25 м 150 м ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 21 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Номера станций О тн о с и те л ь н а я к о н ц е н тр а ц и я м и н е р а л ь н о й в зв е с и С < 1. 0 м км / С с у м 5 м 25 м 150 м Р и с. 6. Распределение на продольном разрезе через озеро относительной концентрации во взвеси фракции с радиусами частиц менее 1 мкм На глубине 25 м концентрация взвеси в целом была значительно меньше, чем на глубине 5 м: 09,126,0ñóì.25ì −=C мг/л. Концентрации взвеси на глуби- не 5 и 25 м коррелировали слабо. На глубине 150 м концентрация взвеси на большинстве станций была менее 0,5 мг/л (минимальная величина 0,19 мг/л). Только на ст. 7 – 9 она была выше 0,5 мг/л, максимальное значение 85,0ñóì.150ì =C мг/л наблюдалось на ст. 8. По данным Е.Н. Тарасовой, микроскопический анализ взвеси на фильт- рах в пробах с глубин 5 и 150 м на ст. 8, выполненный гидробиологами Лим- нологического института, показал наличие в обоих случаях большого коли- чества створок диатомовой водоросли synedra. То есть повышенная концен- трация взвеси на глубине 150 м на ст. 8 может быть объяснена обильным цве- тением в поверхностных прогретых водах водоросли synedra, оболочки кото- рой при осаждении не успевали полностью разрушиться, создавая в глубин- ных слоях повышенную концентрацию взвеси. Очевидно, таким же цветением synedra в поверхностных водах можно объяснить высокую концентрацию взвеси на глубине 150 м на соседних станциях 7 и 9. Обилие клеток synedra имелось во взвеси с глубин 10 и 50 м на ст. 10. Концентрация взвеси на этих глубинах составила 53,1ñóì.10ì =C мг/л, 05,1ñóì.50ì =C мг/л. Однако такой же, как на ст. 8 и 9, повышенной концен- трации взвеси на глубине 150 м здесь не наблюдалось, она составила 30,0ñóì.150ì =C мг/л. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 22 На ст. 10 были проведены измерения индикатрис в пробах воды, взятых с глубин 500 и 1000 м. Концентрация взвеси в этих пробах была значительно выше, чем на глубине 150 м: 53,0ñóì.500ì =C мг/л, 69,0ñóì.1000ì =C мг/л. В пробах, взятых повторно с этих глубин, весовым методом были получены значения такого же порядка: 45,0ñóì.500ì =C мг/л, 85,0ñóì.1000ì =C мг/л. По данным о рассеянии света, во взвеси на глубинах 500 и 1000 м преоб- ладала органическая фракция, относительное содержание которой ñóìîðã /ÑÑ составляло: на глубине 500 м – 0,91, на глубине 1000 м – 0,87. Микроскопический анализ осадков на фильтрах дал следующую характе- ристику: на глубине 500 м – фон минеральный, остатки клеток диатомовых (synedra, melosira), на глубине 1000 м – аморфный осадок. Такой эффект в вертикальном распределении взвеси объясняется наличи- ем в озере на больших глубинах слоев с пониженной прозрачностью, содер- жащих большое количество взвешенных частиц, состоящих из остатков био- ты и продуктов ее жизнедеятельности. Подобные слои наблюдались визуаль- но при погружениях в Байкале на глубоководных аппаратах «Пайсис» и «Мир». Взвесь в этих слоях в свете прожектора выглядит как мелкие снежин- ки, поэтому она получила название «лимнический cнег». Глубоководные слои пониженной прозрачности фиксировались также инструментально при измерениях вертикального распределения показателя ослабления направлен- ного света [5]. Относительное содержание минеральной фракции в суммарной взвеси ñóììèíìèí.îòí /ÑÑC = на разных глубинах колеблется в широких пределах – от 0,09 до 0,51. Определенной связи с концентрацией взвеси на глубине 5 м не наблюдается. В среднем этот параметр с увеличением глубины уменьшается. Исключение составляет ст. 16, на которой наблюдалась обратная картина. Эта станция, согласно схеме циркуляции вод в период наблюдений, находи- лась в зоне опускания вод. Аналогичная картина, по данным [3], наблюдалась в зоне опускания вод в Индийском океане, о чем более подробно будет сказа- но ниже. В табл. 2 приведены средние значения ìèí.îòíC на продольном разрезе. Т а б л и ц а 2 Относительное содержание в суммарной взвеси минеральной фракции <Cмин. отн> Глубина H, м Все станции разреза, кроме ст. 16 Станция 16 5 0,38 0,28 25 0,32 0,38 150 0,20 0,45 Численность частиц. Распределение на продольном разрезе численности частиц в разных ее фракциях представлено на рис. 7 – 9. Численность биоло- ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 23 гических частиц на всех глубинах тесно коррелирует с распределением сум- марной взвеси. Довольно тесная корреляция с суммарной взвесью на глуби- нах 5 и 25 м наблюдается и в численности минеральных частиц. На глубине 150 м согласованное изменение численности минеральных частиц и концен- трации взвеси наблюдалось лишь на ст. 1 – 6, на других станциях связь прак- тически отсутствовала. Р и с. 7. Распределение на продольном разрезе через озеро численности биологических частиц с радиусами более 1 мкм В табл. 3 приведены данные для разных глубин о средней численности частиц и их относительном содержании в единичной концентрации взвеси.На всех глубинах основная численность частиц приходится на самую мелкую фракцию взвеси с радиусами 0,2 – 0,5 мкм. У биологической и минеральной фракций наблюдается разная закономерность изменчивости с глубиной отно- сительной численности частиц на единичную концентрацию взвеси: для био- логических частиц она увеличивается, для минеральных – уменьшается. Т а б л и ц а 3 Численность частиц разных фракций и относительное содержание биологических и минеральных частиц в единичной концентрации взвеси H, м <Nбио>, млн.шт./л <Nмин(0,5 – 1,0)>, млн.шт./л <Nмин(0,2 – 0,5)>, млн.шт./л <Nбио/Cсум>, млн.шт./мг <Nмин/Cсум>, млн.шт./мг 5 9,8 75,0 916 9,2 1070 25 6,9 29,9 564 11,5 990 150 5,6 9,3 279 13,8 710 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Номера станций Ч и с л е н н о с ть ч а с ти ц N >1 .0 м км , м л н . ш т. /л 5 м 25 м 150 м ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 24 0 20 40 60 80 100 120 140 1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Номера станций Ч и с л е н н о с ть ч а с ти ц N 0. 5 -1 .0 м км , м л н . ш т. /л 5 м 25 м 150 м Р и с. 8. Распределение на продольном разрезе через озеро численности минеральных частиц с радиусами 0,5 – 1,0 мкм Р и с. 9. Распределение на продольном разрезе через озеро численности минеральных частиц с радиусами 0,2 – 0,5 мкм 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Номера станций Ч и с л е н н о с ть ч а с ти ц N 0. 2- 0 .5 м км , м л н . ш т. /л 5 м 25 м 150 м ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 25 Средний размер частиц и параметр дисперсности мелких частиц γ . На глубине 5 м средний радиус крупных (биологических) частиц на продольном разрезе изменялся в пределах 6,30,3 áèî −=>< r мкм (рис. 10). В распределе- нии этого параметра проявляется закономерность: его величина ниже в водах с более высокой концентрацией взвеси, т. е. фитопланктона. При концентра- ции взвеси более 0,7 мг/л средний размер частиц составил 15,3 áèî =>< r мкм, при концентрациях менее 0,7 мг/л 40,3 áèî =>< r мкм. Такая закономерность уменьшения размеров частиц фитопланктона в водах высокой трофности из- вестна в гидробиологии. Р и с. 10. Распределение на продольном разрезе через озеро среднего радиуса биологических частиц Характерным явлением, наблюдавшимся на всех станциях, было увели- чение с глубиной среднего радиуса биологических частиц. Наибольшее из- менение с глубиной >< áèîr наблюдалось на ст. 7 – 9: на ст. 7 – с 3,4 мкм на глубине 5 м до 4,3 мкм на глубине 150 м, на ст. 8 и 9 – с 3,1 до 4,0 мкм. Ос- редненные по всем станциям значения этого параметра для разных глубин приведены в табл. 4. 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5 1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Номера станций С р е д н и й р а д и у с б и о л о ги ч е с ки х ч а с ти ц < r б и о >, м км 5 м 25 м 150 м ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 26 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Номера станций С р е д н и й р а д и у с м и н е р а л ь н ы х ч а с ти ц < r м и н > (× 10 00 ), м км 5 м 25 м 150 м Т а б л и ц а 4 Средний размер частиц разных фракций и параметр дисперсности γ минеральных частиц на разрезе >< биоr ,мкм >< минr , мкм >< минr , мкм >< γ >< γ H , м Все станции Кроме ст. 10 и 11 Станции 10 и 11 Кроме ст. 10 и 11 Станции 10 и 11 5 3,3 0,042 0,032 3,2 3,9 25 3,4 0,037 0,060 3,6 2,6 150 3,7 0,028 0,029 4,7 3,4 В распределении среднего радиуса минеральных частиц (рис. 11) на глу- бине 5 м наблюдается большая изменчивость, причем во многих случаях не связанная с изменением концентрации взвеси. Очевидных причин такого ха- рактера изменчивости установить не удалось. При увеличении глубины зна- чение >< ìèír уменьшается. Исключение составляют ст. 10 и 11, на которых средний радиус минеральных частиц на глубине 25 м резко увеличивается. Чем была вызвана такая «аномалия», не выяснено. Р и с. 11. Распределение на продольном разрезе через озеро среднего радиуса минеральных частиц ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 27 Параметр дисперсности мелкой взвеси γ (рис. 12) также изменяется с глубиной – его значение возрастает в более глубоких слоях воды. Исключе- ние, как и для >< минr , составляют ст. 10 и 11 на глубине 25 м. Р и с. 12. Распределение на продольном разрезе через озеро параметра дисперсности мине- ральных частиц γ (параметр Юнге) Характеристики взвеси в проливе Малое море. В этом районе они такого же порядка, как и в прогретых водах на продольном разрезе через озеро. По- этому их распределение на разрезе через пролив отдельно не рассматривает- ся. В обобщенном виде они представлены в табл. 5. Характеристики взвеси в оз. Байкал с разной температурой на поверхно- сти. Они также приведены в табл. 5. Станции были разбиты на две группы – с температурой воды на поверхности более и менее 7°С. Видно, что параметры взвеси в водах с разной температурой на поверхности существенно отлича- ются в поверхностных (5 и 25 м) и глубинных (150 м) слоях. Для >< ìèí.îòíC , >< áèîr , >< ìèír , >< γ , >< ñóìáèî /CN , >< ñóììèí /CN изменения происходят в обратной зависимости, т. е. при увеличении (уменьшении) на глубинах 5 и 25 м они уменьшаются (увеличиваются) на глубине 150 м. 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Номера станций П а р а м е тр д и с п е р с н о с ти м и н е р а л ь н о й в зв е с и γ 5 м 25 м 150 м ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 28 Т а б л и ц а 5 Параметры взвеси в районах озера Байкал с разной температурой воды на поверхности C7°>T (7,3 – 15,5°С) C7,10 °=>< T C7°<T (4,1 – 6,0°С) C2,5 °=>< T C7°>T Параметр 5 м 25 м 150 м 5 м 25 м 150 м 5 м 25 м Озеро Байкал, ст. 1 – 11, 18, 19 Озеро Байкал, ст. 12 – 17 Малое море, ст. М1 – М3 сумC , мг/л 0,53-1,42 0,26-1,09 0,19-0,85 0,29-0,58 0,38-0,76 0,20-0,42 1,06-1,56 0,52-0,74 >< сумC , мг/л 1,12 0,62 0,44 0,41 0,51 0,30 1,28 0,63 мин.отнC 0,26-0,51 0,17-0,53 0,09-0,33 0,28-0,39 0,19-0,38 0,15-0,45 0,24-0,43 0,22-0,36 >< мин.отнC 0,39 0,34 0,20 0,34 0,27 0,27 0,37 0,30 биоr , мкм 3,0-3,3 3,0-3,6 3,4-4,3 3,3-3,6 3,6-3,8 3,5-4,1 3,0-3,4 3,2-3,6 >< биоr , мкм 3,2 3,3 3,7 3,5 3,7 3,7 3,2 3,4 минr , мкм 0,029-0,064 0,027-0,064 0,025-0,030 0,031-0,056 0,030-0,036 0,028-0,031 0,034-0,064 0,030-0,056 >< минr , мкм 0,044 0,038 0,027 0,040 0,033 0,030 0,047 0,041 γ 2,5-4,3 2,5-4,9 3,9-5,9 2,6-3,8 3,3-4,0 3,8-4,6 2,5-3,4 2,6-4,0 < γ > 3,2 3,5 4,9 3,5 3,6 4,2 2,9 3,3 Nбио , млн.шт./л 5,9-19,2 4,9-13,8 3,3-12,8 3,2-7,2 4,2-10,5 1,9-5,4 10,3-20,3 5,7-9,9 < Nбио >, млн.шт./л 11,7 7,0 6,1 5,0 6,6 3,8 14,2 7,7 < Nбио /Cсум>, млн.шт./мг 10,4 11,3 13,9 12,2 12,9 12,7 11,1 12,2 Nмин, млн.шт./л 610-1570 260-1340 140-540 320-500 290-570 150-440 990-1160 490-600 <Nмин>, млн.шт./л 1150 640 310 450 450 310 1080 550 <Nмин /Cсум>, млн.шт./мг 1030 1030 700 1100 880 1030 840 870 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 29 Характеристики взвеси на станции 10. Здесь наблюдались повышенные значения концентрации взвеси на больших глубинах – 500 и 1000 м. Кроме того, происходило необычное увеличение среднего радиуса и численности минеральных частиц на глубине 25 м. В связи с этим характеристики взвеси на этой станции представляют особый интерес (табл. 6). Т а б л и ц а 6 Параметры взвеси на станции 10 Глубина H, м Параметр 5 10 25 50 150 500 1000 Cсум, мг/л 1,53 1,55 0,91 1,05 0,30 0,53 0,69 Cмин.отн 0,26 0,44 0,47 0,14 0,26 0,09 0,13 rбио, мкм 3,2 2,9 3,1 4,0 3,5 4,0 3,9 rмин, мкм 0,030 0,064 0,056 0,027 0,029 0,025 0,026 γ 4,2 2,5 2,6 5,1 4,3 6,0 5,4 Nбио, млн.шт./л 19,2 14,7 8,2 15,4 3,9 8,2 10,3 Nбио/Cсум, млн.шт./мг 12,5 9,5 9,1 14,7 13,0 15,5 14,9 Nмин, млн.шт./л 910 1375 1335 535 270 170 320 <Nмин>, млн.шт./мг 595 885 1470 510 900 320 465 Сравнение с параметрами взвеси в других водоемах Индийский океан. В работе [3] приводятся данные о структуре взвеси в водах Индийского океана, полученные по результатам обращения индикат- рис рассеяния света, измеренных на двух станциях. Одна из них (ст. 740) рас- полагалась в зоне южной тропической конвергенции (зона опускания вод в районе 77° в. д.), другая (ст. 765) – в зоне субэкваториальной дивергенции (зона подъема вод в районе 50° в. д.). Для сравнения в табл. 7 приведены дан- ные о структуре взвеси в байкальских водах на ст. 16 (зона опускания) и на ст. 14 (зона подъема). Сравнение показывает одинаковую закономерность основных изменений параметров взвеси с глубиной в водах Индийского океана и в оз. Байкал: при возрастании глубины средний размер биологических частиц увеличивается, а минеральных – уменьшается (параметр γ возрастает). Кроме того, следует отметить характерное различие состава взвеси в зонах опускания и подъема вод: как в Индийском океане, так и в оз. Байкал в зонах опускания на всех глубинах относительное содержание во взвеси минеральной фракции значи- тельно больше, чем в зонах подъема. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 30 Т а б л и ц а 7 Параметры взвеси в зонах опускания и подъема вод в Индийском океане и в озере Байкал Индийский океан Озеро Байкал H , м сумC , мг/л мин.отнC >< биоr , мкм γ H , м сумC , мг/л мин.отнC >< биоr , мкм γ Станция 740. Опускание вод Станция 16. Опускание вод 0 0,39 0,23 3,9 4,2 5 0,58 0,28 3,5 3,4 50 0,35 0,37 3,8 4,4 25 0,40 0,38 3,6 3,3 200 0,14 0,43 4,3 4,7 150 0,20 0,45 3,5 3,8 Станция 765. Подъем вод Станция 14. Подъем вод 0 1,01 0,11 4,1 – 5 0,49 0,29 3,6 3,4 50 0,74 0,15 4,2 4,0 25 0,76 0,19 3,8 3,5 200 0,50 0,16 5,5 4,6 150 0,25 0,15 3,9 4,6 Черное море. Измерения индикатрис рассеяния света в Черном море (се- верная часть глубоководной области) были выполнены в декабре 1991 г. [6]. Использовался тот же нефелометр, что и на оз. Байкал. Индикатрисы измеря- лись в пробах воды с глубины 3 м. Данные о структуре взвеси получены по методикам [2, 3]. Соотношение концентраций взвеси, полученных весовым методом (25 проб) и рассчитан- ных по данным о светорассеянии (формулы из работы [2]), было практически таким же, как и для Байкала: 08,1/ ðàñ÷âåñîòí == ÑÑK . При сопоставлении с параметрами взвеси в поверхностных водах оз. Байкал (глубина 5 м) было установлено, что в большинстве случаев они значительно отличаются от аналогичных характеристик в поверхностных во- дах Черного моря (глубина 3 м). Лишь на ст. 10 продольного разреза они бы- ли относительно близки к черноморским. Близкое сходство обнаружено так- же между параметрами байкальских вод на глубине 150 м и поверхностных черноморских вод. Их осредненные величины приведены в табл. 8. Т а б л и ц а 8 Осредненные параметры взвеси в озере Байкал на глубине 150 м и в Черном море на глубине 3 м Параметр Озеро Байкал Черное море >< ñóìC , мг/л 0,41 0,55 >< ìèí.îòíC 0,22 0,20 >< áèîr , мкм 3,7 3,6 >< ìèír , мкм 0,028 0,028 γ 4,7 4,7 >< ñóìáèî /CN , млн.шт./мг 13,6 10,7 >< ñóììèí /CN , млн.шт./мг 780 600 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 31 Обоснованной версии о причинах сходства параметров взвеси в водах Байкала на глубине 150 м и в поверхностных водах Черного моря нет. Отме- тим лишь особенности в условиях формирования оптических характеристик вод в Черном море во время измерения индикатрис. Измерения проводились в период наиболее короткого светового дня, когда продуктивность фито- планктона в море минимальна и соответственно невелика концентрация взве- си. Вследствие охлаждения поверхностных слоев воды в этот период возни- кает плотностная конвекция, вызывающая интенсивное вертикальное пере- мешивание вод. В результате в море формируется однородное распределение гидрологических и оптических характеристик до глубин ~ 100 м. Заключение Подведем основные итоги работы. 1. Для определения структуры взвеси в водах оз. Байкал использованы методы обращения индикатрис рассеяния света, предложенные в работах [2, 3]. Оба метода дали результаты, согласующиеся между собой и с измерения- ми массовой концентрации взвеси весовым методом. 2. По индикатрисам рассеяния света, измеренным в водах оз. Байкал, оп- ределены: массовая и численная концентрация разных фракций взвеси, сред- ний размер крупных (органических) и мелких (минеральных) частиц, параметр Юнге, характеризующий распределение по размерам мелких частиц. 3. Получены данные о структуре взвеси в поверхностных и глубинных водах разных районов озера. Показана их связь с гидрологическими и биоло- гическими характеристиками вод. Главными факторами, определявшими пространственную изменчивость характеристик взвеси, являлись температура поверхностных слоев воды, циркуляция вод, цветение фитопланктона. 4. Установлены закономерности трансформации характеристик взвеси с глубиной: в глубинных водах средний размер частиц крупной фракции уве- личивается, мелкой фракции – уменьшается. 5. Проведено сравнение параметров взвеси в зонах подъема и опускания вод в оз. Байкал и Индийском океане. Структура взвеси на разных глубинах в таких зонах имеет характерные особенности, одинаково проявлявшиеся как на Байкале, так и в Индийском океане. 6. Проведено сравнение параметров взвеси на разных глубинах в оз. Бай- кал и в поверхностных водах Черного моря в зимний период. Найдено, что осредненные параметры взвеси в поверхностных водах Черного моря практи- чески такие же, как и в оз. Байкал на глубине 150 м. Автор благодарит сотрудников Лимнологического института, способст- вовавших успешному проведению данного исследования: – Е.Н. Тарасову, предоставившую для сравнения данные выполненных ею в экспедиции измерений концентрации взвеси весовым методом и резуль- таты микробиологических анализов проб на взвесь; – М.Н. Шимараева, предоставившего данные о температуре и циркуля- ции вод в оз. Байкал в период экспедиции. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 32 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Шифрин К.С. Введение в оптику океана // Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – C. 207 – 264. 2. Копелевич О.В., Маштаков Ю.А., Буренков В.И. Исследование вертикальной стратифи- кации рассеивающих свойств морской воды // Гидрофизические и оптические исследо- вания в Индийском океане. – М.: Наука, 1975. – С. 54 – 60. 3. Ощепков С.Л., Сорокина Е.А. Методика экспрессного восстановления дисперсности и концентрации морской взвеси из измерений индикатрис рассеяния // Океанология. – 1988. – 28, вып. 1. – С. 157 – 161. 4. Маньковский В.И. Морской импульсный нефелометр // Приборы для научных исследо- ваний и системы автоматизации в АН УССР. – Киев: Наук. думка, 1981. – С. 87 – 89. 5. Шерстянкин П.П., Коханенко Г.П., Куимова Л.Н. и др. О связи оптических структур вод озера Байкал с конвекционными структурами // Тр. Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы с элементами научной школы для мо- лодежи». – Томск: Институт оптики атмосферы СО РАН, 2009. – С. 540 – 543. 6. Маньковский В.И., Соловьев М.В. Индикатрисы рассеяния света и рассчитанный по ним состав взвеси в Черном море // Морской гидрофизический журнал. – 2005. – № 1. – С. 63 – 76. Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил Севастополь в редакцию 16.12.09 После доработки 19.02.10 АНОТАЦІЯ За індикатрисами розсіяння світла, виміряним в оз. Байкал, розраховані характе- ристики суспензії: масова концентрація і чисельність частинок мінеральної і біологічної фракцій, їх середній радіус, параметр дисперсності мінеральних частинок. Отримані дані про вертикальний розподіл характеристик суспензії в різних районах озера в літній період. Прове- дене порівняння характеристик суспензії в зонах підйому та опускання вод в оз. Байкал і в Індійському океані, що показало її однаковий специфічний склад. Ключові слова: індикатриса розсіяння, зворотні задачі, суспензія. ABSTRACT Light scattering functions measured in the lake Baikal are used for calculating sus- pended matter parameters: mass concentration and quantity of mineral and biological particles, their average radius, parameter of mineral particles dispersivity. Data on vertical distribution of suspended matter characteristics in various regions of the lake in summer are obtained. Comparison of sus- pended matter characteristics in the upwelling and downwelling zones of the lake Baikal and in the Indian Ocean shows its similar specific composition in these zones. Keywords: light scattering function, inverse problem, suspended matter.

Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света

Репозитарії

Схожі ресурси