Оптика океана
Оптика океана — это исследование того, как свет взаимодействует с водой и материалами в воде. Хотя исследования часто фокусируются на море, эта область в широком смысле включает реки, озера, внутренние воды, прибрежные воды и большие океанские бассейны. То, как свет действует в воде, имеет решающее значение для функционирования экосистем под водой. Знания в области оптики океана необходимы в исследованиях дистанционного зондирования воды , чтобы понять, какую информацию можно извлечь из цвета воды , который появляется со спутниковых датчиков в космосе. Цвет воды, видимый со спутников, известен как цвет океана . Хотя цвет океана является ключевой темой оптики океана, оптика — это более широкий термин, который также включает в себя разработку подводных датчиков, использующих оптические методы для изучения гораздо большего, чем просто цвет, включая химию океана, размер частиц, получение изображений микроскопических растений и животных и более.
Основная терминология
[ редактировать ]Оптически глубокий
[ редактировать ]Там, где воды «оптически глубоки», дно не отражает падающий солнечный свет, а морское дно не видно ни людям, ни спутникам. [1] Подавляющее большинство мировых океанов по площади являются оптически глубокими. Оптически глубокая вода все же может быть относительно мелкой с точки зрения общей физической глубины, если вода очень мутная, например, в эстуариях.
Оптически мелкий
[ редактировать ]Там, где вода «оптически мелкая», дно отражает свет и его часто можно увидеть людьми и спутниками. [2] Здесь океанскую оптику также можно использовать для изучения того, что находится под водой. Основываясь на том, какого цвета они кажутся сенсорам, исследователи могут составить карту типов среды обитания, включая макроводоросли, кораллы, заросли морских водорослей и многое другое. Для картирования мелководной среды необходимы знания оптики океана, поскольку при рассмотрении цвета среды морского дна необходимо учитывать цвет воды.
Собственные оптические свойства (IOP)
[ редактировать ]Собственные оптические свойства (ВГД) зависят от того, что находится в воде. Эти свойства остаются неизменными независимо от того, как поступает падающий свет (дневное или ночное время, низкий или высокий угол солнечного света). [3]
Воды с большим количеством растворенных веществ, такие как озера с большим количеством цветных растворенных органических веществ ( ЦРОВ ), испытывают сильное поглощение света. Фитопланктон и другие частицы также поглощают свет. [4]
Районы с морским льдом, устья рек с большим количеством взвешенных отложений и озера с большим количеством ледниковой муки являются примерами водоемов с высоким светорассеянием. Все частицы в той или иной степени рассеивают свет, включая планктон, минералы и детрит. Размер частиц влияет на степень рассеяния разных цветов; например, очень маленькие частицы рассеивают свет экспоненциально больше в синих цветах, чем в других цветах, поэтому океан и небо обычно голубые (так называемое рэлеевское рассеяние ). Без рассеяния свет никуда не «уходил бы» (кроме прямого луча Солнца или другого источника), и мы не смогли бы увидеть окружающий мир. [5]
Ослабление в воде, также называемое ослаблением луча или коэффициентом ослабления луча , представляет собой сумму всех поглощений и рассеяний. Ослабление светового луча в одном конкретном направлении можно измерить с помощью прибора, называемого трансмиссометром. [6]
Видимые оптические свойства (АОП)
[ редактировать ]Видимые оптические свойства (AOP) зависят от того, что находится в воде (IOP) и что происходит с падающим светом от Солнца. АОП наиболее сильно зависят от ВГД и лишь в некоторой степени зависят от входящего света, известного как «световое поле». Характеристики светового поля, которые могут повлиять на измерения АОП, включают угол, под которым свет падает на поверхность воды (высоко в небе или низко в небе, и в каком направлении по компасу), а также погоду и условия неба (облака, атмосферная дымка, туман, или волнение моря, то есть неровность поверхности воды). [7]
Коэффициент отражения дистанционного зондирования (Rrs) — это мера света, исходящего из-под поверхности океана всех цветов, нормализованная падающим солнечным светом всех цветов. Поскольку Rrs — это соотношение, оно немного менее чувствительно к тому, что происходит со световым полем (например, угол наклона солнца или дымка атмосферы). [8]
Rrs измеряется с помощью двух парных спектрорадиометров, которые одновременно измеряют свет, падающий с неба, и свет, исходящий из воды внизу, на многих длинах волн. Поскольку это измерение отношения света к свету, единицы энергии сокращаются, и Rrs имеет единицы стерадиан (ср-1) из-за углового характера измерения (восходящий свет измеряется под определенным углом , а падающий свет измеряется на плоской плоскости из полусферической области над поверхностью воды). [9]
Коэффициент ослабления света (K d )
[ редактировать ]K d — это диффузный (или нисходящий) коэффициент ослабления света (K d ), также называемый просто ослаблением света , коэффициентом вертикального ослабления или коэффициентом ослабления . [10] K d описывает скорость уменьшения освещенности с глубиной в воде, в единицах на метр (м −1 ). Буква «d» означает нисходящий свет, то есть свет, исходящий сверху от датчика полусферической формы (например, половины баскетбольного мяча). Ученые иногда используют K d для описания уменьшения общего видимого света, доступного растениям, с точки зрения фотосинтетически активной радиации (ФАР) – называемой «K d (ФАР)». В других случаях Kd может описывать уменьшение света с глубиной в спектре цветов или длин волн, обычно записываемом как «K d (λ)». Для одного цвета (одной длины волны) Kd может описывать уменьшение света с глубиной одного цвета, например, уменьшение синего света на длине волны 490 нм, записываемое как «K d (490)».
В общем, K d рассчитывается с использованием закона Бера и серии измерений освещенности, полученных прямо под поверхностью воды, в воде на многих глубинах. [11] [12]
Закрытие
[ редактировать ]«Замыкание» относится к тому, как оптические океанографы измеряют согласованность моделей и измерений. Модели относятся ко всему, что не измеряется в воде явным образом, включая переменные, полученные со спутников, которые оцениваются с использованием эмпирических соотношений (например, полученная со спутников концентрация хлорофилла-а оценивается на основе соотношения между отражательной способностью зеленого и синего дистанционного зондирования с использованием эмпирического отношение). Закрытие включает закрытие измерений, закрытие модели, закрытие данных модели и закрытие шкалы. Если эксперименты по закрытию данных модели показывают несовпадение данных и моделей, причина несовпадения может быть связана с ошибкой измерения , проблемами с моделью (и тем, и другим) или каким-либо другим внешним фактором. [13] [14]
Направления деятельности
[ редактировать ]Оптика океана применялась для изучения таких тем, как первичная продукция , фитопланктон , зоопланктон , [15] [16] мелководные места обитания, такие как заросли морских водорослей и коралловые рифы , [17] [18] морская биогеохимия , [19] нагрев верхних слоев океана, [20] и экспорт углерода в глубокие воды с помощью биологического насоса океана . [21] Часть электромагнитного спектра, обычно используемая в оптике океана, представляет собой ультрафиолетовую и инфракрасную области спектра, от 300 до менее 2000 нм. [22]
Общие оптические датчики, используемые в океанографии
[ редактировать ]Наиболее широко используемые оптические океанографические датчики — это ФАР датчики , датчики флуоресценции хлорофилла-а ( флуориметры ) и трансмиссометры. Эти три прибора часто устанавливаются на розеточных пробоотборниках CTD (проводимость-температура-глубина) . Эти инструменты уже много лет используются на розетках CTD в глобальных повторных океанографических исследованиях, таких как кампания CLIVAR GO-SHIP. [23] [24]
Размер частиц в океане
[ редактировать ]Оптические инструменты часто используются для измерения спектра размеров частиц в океане. Например, организмы фитопланктона могут иметь размеры от нескольких микрон (микрометров, мкм) до сотен микрон. Размер частиц часто измеряется, чтобы оценить, насколько быстро частицы будут тонуть и, следовательно, насколько эффективно растения могут улавливать углерод в биологическом насосе океана .
Визуализация частиц и организмов океана
[ редактировать ]Ученые изучают отдельные крошечные объекты, такие как планктон и частицы детрита, с помощью проточной цитометрии и систем камер in situ. Проточные цитометры измеряют размеры и фотографируют отдельные частицы, проходящие через систему трубок; Одним из таких инструментов является Imaging FlowCytoBot (IFCB). [26] Системы камер in situ развертываются на борту исследовательского судна отдельно или присоединяются к другому оборудованию и делают фотографии самой воды, чтобы получить изображение частиц, присутствующих в воде; Одним из таких инструментов является профилировщик подводного зрения (UVP). [27] Другие технологии визуализации, используемые в океане, включают голографию. [28] и велосиметрия с изображением частиц (PIV), которая использует трехмерную видеозапись для отслеживания движения подводных частиц. [29]
Исследования в поддержку спутникового дистанционного зондирования
[ редактировать ]Исследования оптики океана, проводимые « на месте » (с исследовательских судов , небольших лодок или на доках и пирсах), поддерживают исследования, в которых используются спутниковые данные. Оптические измерения на месте дают возможность: 1) калибровать спутниковые датчики, когда они только начинают собирать данные, 2) разрабатывать алгоритмы для получения продуктов или переменных, таких как концентрация хлорофилла-а, и 3) проверять продукты данных, полученные со спутников. Используя спутниковые данные, исследователи оценивают такие параметры, как размер частиц, углерод, качество воды , прозрачность воды и тип дна, на основе цветового профиля, видимого со спутника; все эти оценки (также известные как модели) должны быть проверены путем сравнения их с оптическими измерениями, выполненными на месте. [30] Данные in situ часто доступны в общедоступных библиотеках данных, таких как архив данных SeaBASS .
Крупнейшие учёные
[ редактировать ]Океанографы, физики и другие ученые, внесшие большой вклад в область оптики океана, включают (неполный список):
Дэвид Антуан, Марсель Бабен, Паула Бонтемпи , Эммануэль Босс, Анник Брико, Кендалл Кардер, Ивона Цетинич, Эдвард Фрай, Хайди Дирсен, Дэвид Доксаран, Джин Карл Фельдман, Ховард Гордон, Чуанмин Ху, Нильс Гуннар Джерлов , Джордж Каттавар, Джон Кирк, ЧжунПин Ли, Юбер Луазель, Стефан Мариторена, Майкл Мищенко, Кертис Мобли, Брюс Монгер, Андре Морель, Майкл Моррис, Норм Нельсон, Мэри Джейн Перри , Рудольф Прейзендорфер, Луи Приер, Чандрасекхара Раман, Коллин Рослер , Рюдигер Реттгерс, Дэвид Сигел, Рэймонд Смит, Хайди Сосик , Дариуш Страмски, Майкл Твардовский, Тэлбот Уотерман, Джереми Верделл, Кен Восс, Чарльз Йенч и Рональд Заневельд.
Образование
[ редактировать ]Хотя оптика океана является междисциплинарной областью исследований, применимой к широкому кругу тем, ее не часто преподают в качестве курса в аспирантуре по морским наукам и океанографии. Для аспирантов из разных учебных заведений были разработаны два летних курса. Во-первых, Международная координационная группа по цвету океана (IOCCG) проводит летнюю серию лекций, которая обычно проводится во Франции. [31] Во-вторых, в Соединенных Штатах существует постоянный курс под названием «Класс оптической океанографии» или «Класс оптики океана» в штате Вашингтон, а затем в штате Мэн, который непрерывно проводится с 1985 года. [32]
Для самостоятельного обучения Курт Мобли, Коллин Рослер и Эммануэль Босс написали веб-книгу «Оптика океана» в качестве онлайн-руководства с открытым доступом.
См. также
[ редактировать ]Связанные области и темы:
- Атмосферная оптика
- Цвет воды
- Электромагнитный спектр
- История оптики
- Океанография
- Цвет океана
- Оптическая глубина
- Спектральный цвет
- Прозрачность и полупрозрачность
- Видимый спектр
- Прозрачность воды
- Дистанционное зондирование воды
- Качество воды
Собственные и кажущиеся оптические свойства и методы в воде:
- Поглощение (электромагнитное излучение)
- Арго (океанография)
- Коэффициент затухания
- Закон Бера-Ламберта
- Морской оптический буй
- Рассеяние
- Сухие диски
Дистанционные и радиометрические методы:
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Армстронг, РА; Сингх, Х.; Риверо, С.; Гилбес, Ф. (2008). «Мониторинг коралловых рифов в оптически глубоких водах». Материалы 11-го Международного симпозиума по коралловым рифам, Форты. Лодердейл, Флорида. Сессия номер 17 . CiteSeerX 10.1.1.545.7429 .
- ^ Маккинна, Лахлан И.В.; Верделл, П. Джереми (2019). «Подход к идентификации оптически мелких пикселей при обработке изображений цвета океана» . Оптика Экспресс . 26 (22): А915–А928. дои : 10.1364/OE.26.00A915 . ПМК 6506854 . ПМИД 30469992 .
- ^ Мобли, Кертис (19 мая 2021 г.). «Неотъемлемые оптические свойства. Интернет-книга по оптике океана» . Проверено 23 августа 2021 г.
- ^ Рослер, Коллин (6 апреля 2021 г.). «Обзор поглощения. Интернет-книга по оптике океана» . Проверено 24 августа 2021 г.
- ^ Мобли, Кертис; Босс, Эммануэль (18 мая 2021 г.). «Обзор рассеяния. Интернет-книга по оптике океана» . Проверено 24 августа 2021 г.
- ^ Мобли, Кертис (19 мая 2021 г.). «Измерение IOP. Интернет-книга по оптике океана» . Проверено 24 августа 2021 г.
- ^ Мобли, Кертис (27 октября 2020 г.). «Кажущиеся оптические свойства. Интернет-книга по оптике океана» . Проверено 24 августа 2021 г.
- ^ «Отражательная способность дистанционного зондирования (Rrs)» . Цвет океана НАСА . Проверено 24 августа 2021 г.
- ^ Мобли, Кертис (28 октября 2020 г.). «Отражения. Интернет-книга по оптике океана» . Проверено 24 августа 2021 г.
- ^ "Свет" . Понимание: Учебник по экологии озер . Вода в сети. 31 января 2011 года . Проверено 24 августа 2021 г.
- ^ Шульц К.Л. «Свет в озерах» . Лекция по лимнологии . Проверено 24 августа 2021 г.
- ^ Кирк, Джон Т.О. (1994). Свет и фотосинтез в водных экосистемах (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 0521459664 .
- ^ Маккормик, Норман; Мобли, Кертис (22 марта 2021 г.). «Краткие определения. Интернет-книга по оптике океана» . Проверено 24 августа 2021 г.
- ^ Чанг, Грейс К.; Дики, Томми Д.; Мобли, Кертис Д.; Босс, Эммануэль; Пегау, В. Скотт (2003). «К закрытию апвеллингового сияния в прибрежных водах» . Прикладная оптика . 42 (9): 1574–1582. Бибкод : 2003ApOpt..42.1574C . дои : 10.1364/AO.42.001574 . ПМИД 12665088 .
- ^ Беренфельд, Майкл Дж.; и др. (2019). «Глобальные спутниковые наблюдения за ежедневными вертикальными миграциями океанских животных» . Природа . 576 (7786): 257–261. дои : 10.1038/s41586-019-1796-9 . ПМИД 31776517 . S2CID 208329129 .
- ^ Пишераль, Марк; Гуиди, Лайонел; Стемманн, Ларс; Карл, Дэвид М.; Идауд, Гизлен; Горский, Габриэль (2010). «The Underwater Vision Profiler 5: усовершенствованный инструмент для исследования спектров размеров частиц и зоопланктона с высоким пространственным разрешением» . Лимнология и океанография: Методы . 8 (9): 462–473. дои : 10.4319/лом.2010.8.462 . S2CID 13671970 .
- ^ Циммерман, Р.К.; Деккер, АГ (2007). Водная оптика: основные концепции для понимания того, как свет влияет на морские травы и позволяет их измерить из космоса. В: Морские травы: биология, экология и охрана . Дордрехт: Спрингер. дои : 10.1007/978-1-4020-2983-7_12 .
- ^ Хохберг, Э.Дж.; Аткинсон, MJ (2000). «Спектральная дискриминация донных сообществ коралловых рифов». Коралловые рифы . 19 (2): 164–171. дои : 10.1007/s003380000087 . S2CID 34304562 .
- ^ Органелли, Эмануэле; и др. (2017). «Две базы данных, полученные на основе плавучих измерений BGC-Argo для морских биогеохимических и биооптических приложений» . Данные науки о системе Земли . 9 (2): 861–880. Бибкод : 2017ESSD....9..861O . doi : 10.5194/essd-9-861-2017 . S2CID 21668439 .
- ^ Ошлис, Андреас (2004). «Обратные связи биотически вызванного радиационного нагрева с тепловым балансом верхних слоев океана, циркуляцией и биологическим производством в совместной модели экосистемы и циркуляции» (PDF) . Журнал геофизических исследований: Океаны . 109 (С12). Бибкод : 2004JGRC..10912031O . дои : 10.1029/2004JC002430 .
- ^ Стемманн, Л.; Босс, Эммануэль (2012). «Планктон, размер частиц и упаковка: от определения оптических свойств до управления биологическим насосом». Ежегодный обзор морской науки . 4 : 263–290. Бибкод : 2012ARMS....4..263S . doi : 10.1146/annurev-marine-120710-100853 . ПМИД 22457976 .
- ^ Мобли, Кертис (2021). «Цвет океана. Интернет-книга по оптике океана» . Проверено 21 августа 2021 г.
- ^ Дики, Томми Д. (1991). «Появление одновременных физических и биооптических измерений высокого разрешения в верхних слоях океана и их применение». Обзоры геофизики . 29 (3): 383–413. Бибкод : 1991RvGeo..29..383D . дои : 10.1029/91rg00578 .
- ^ Босс, Эммануэль; и др. (2015). «Оптические методы дистанционного и натурного определения характеристик частиц, имеющих отношение к GEOTRACES» . Прогресс в океанографии . 133 : 43–54. Бибкод : 2015Proce.133...43B . дои : 10.1016/j.pocean.2014.09.007 . S2CID 51780423 .
- ^ Дэвис, Эмлин Дж.; Базедов, Сунне Л.; Макки, Дэвид (2021). «Скрытое влияние крупных частиц на цвет океана» . Научные отчеты . 11 (1): 3999. Бибкод : 2021NatSR..11.3999D . дои : 10.1038/s41598-021-83610-5 . hdl : 10037/21472 . ПМЦ 7889869 . ПМИД 33597642 .
- ^ Олсон, Роберт Дж.; Сосик, Хайди М. (2007). «Погружной прибор для визуализации в потоке для анализа нано- и микропланктона: Imaging FlowCytobot». Лимнология и океанография: Методы . 5 (6): 195–203. дои : 10.4319/лом.2007.5.195 . S2CID 83979355 .
- ^ Пишераль, Марк; Гуиди, Лайонел; Стемманн, Ларс; Карл, Дэвид М.; Идауд, Гизлен; Горский, Габриэль (2010). «The Underwater Vision Profiler 5: усовершенствованный инструмент для исследования спектров размеров частиц и зоопланктона с высоким пространственным разрешением» . Лимнология и океанография: Методы . 8 (9): 462–473. дои : 10.4319/лом.2010.8.462 . S2CID 13671970 .
- ^ Наяк, Адитья Р.; и др. (2021). «Обзор голографии в науках о воде: характеристика частиц, планктона и мелкомасштабных биофизических взаимодействий in situ» . Границы морской науки . 7 . дои : 10.3389/fmars.2020.572147 .
- ^ «Велосиметрия по изображениям глубоких частиц» . Научно-исследовательский институт аквариумов Монтерей-Бей (MBARI) . 2017 . Проверено 24 августа 2021 г.
- ^ Маскареньяш, Велоиса; Кек, Тереза (2018). Юнгблут, С.; Либих, В.; Боде, М. (ред.). «Морская оптика и дистанционное зондирование цвета океана (доклад конференции)» . YOUMARES 8 – Океаны через границы: учимся друг у друга : 41–54. дои : 10.1007/978-3-319-93284-2_4 .
- ^ «Серия летних лекций IOCCG 2022» . Границы в оптике океана и науке о цвете океана . 2021 . Проверено 24 августа 2021 г.
- ^ Перри, Мэри Джейн (2016). «Боковая панель. Летом 2015 года классу оптической океанографии исполнилось 30 лет» . Океанография . 29 (1): 32–33. дои : 10.5670/oceanog.2016.07 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- ^ Кирк, Джон Т.О. (1994). Свет и фотосинтез в водных экосистемах (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 0521459664 .
- ^ Прейзендорфер, Рудольф В. (1976). Гидрологическая оптика (6 томов) (PDF) . Министерство торговли США, Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Лаборатории экологических исследований, Лаборатория морской окружающей среды Тихого океана.