Новый дифференциальный способ определения спектрального поглощения света взвесью и растворенным органическим веществом непосредственно в морской воде

М. Е. Ли✉, Е. Б. Шибанов

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: michael.lee.mhi@gmail.com

Аннотация

Цель. Впервые представить новый способ определения спектрального поглощения света взвесью и растворенным органическим веществом непосредственно в морской воде без ее предварительного сгущения до суспензии, а также без осаждения взвеси на подложку фильтрованием – цель настоящей работы.

Методы и результаты. Предложен новый способ определения поглощения света примесями морской воды, основанный на использовании двух отражающих двустенных конусных кювет большой длины (соединенных с интегрирующей сферой), собранных по оптической схеме двухлучевого дифференциального спектрофотометра. Обе кюветы идентичные, в виде тонкостенных кварцевых конусов, коаксиально вложенных внутрь внешних таких же конусов, но с зеркальным покрытием. В случае, когда в измерительный канал помещена морская вода, а в опорный для сравнения – оптически чистая вода, будет определяться только суммарное общее поглощение взвесью и окрашенным растворенным органическим веществом. Для определения поглощения света отдельно только взвесью в морской воде необходимо в опорную кювету залить фильтрат той же морской воды, пропущенный через фильтр с порами 0,2 мкм. Фильтрат морской воды, помещенный в измерительный канал и сравниваемый с оптически чистой водой в опорном канале, позволяет определить спектр поглощения растворенным органическим веществом в исходной морской воде.

Выводы. Впервые предложено спектральные свойства поглощения света взвесью определять в естественном состоянии непосредственно в водной среде путем существенного увеличения чувствительности при условии полного сбора всех рассеянных лучей на приемном устройстве. Это достигнуто способом, основанным на применении двустенных конических кювет из квар-цевого стекла, обладающих свойством увеличивать угол отражения на величину угла при вершине конуса при каждом последующем отражении. Поэтому объединение конических кювет в оптическую схему двухлучевого дифференциального фотометра с интегрирующей сферой позволяет получать корректные данные, не требующие введения поправок на влияние рассеянных лучей. Применение принципа работы двухлучевого дифференциального спектрофотометра дает возможность проводить спектральный анализ оптических свойств поглощения различных компонентов взвеси отдельно от всех других веществ и от свойств самой морской воды, в которой они находятся.

Ключевые слова

частицы взвеси, растворенное органическое вещество, поглощение света, рассеивающая среда, полное внутреннее отражение, двустенная конусная кювета, угол рассеяния

Благодарности

Работа выполнена в рамках темы государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ FNNN-2024-0012 «Анализ, диагноз и оперативный прогноз состояния гидрофизических и гидрохимических полей морских акваторий на основе математического моделирования с использованием данных дистанционных и контактных методов измерений».

Для цитирования

Ли М. Е., Шибанов Е. Б. Новый дифференциальный способ определения спектрального поглощения света взвесью и растворенным органическим веществом непосредственно в морской воде // Морской гидрофизический журнал. 2025. Т. 41, № 4. С. 399–416. EDN RLAEKQ.

Lee, M.E. and Shybanov, E.B., 2025. A New Differential Method for Determining the Light Spectral Absorption by Suspended and Dissolved Organic Matter Directly in Seawater. Physical Oceanography, 32 (4), pp. 429-445.

Список литературы

  1. Ciotti A. M., Lewis M. R., Cullen J. J. Assessment of the relationships between dominant cell size in natural phytoplankton communities and the spectral shape of the absorption coefficient // Limnology and Oceanography. 2002. Vol. 47, iss. 2. P. 404–417. https://doi.org/10.4319/lo.2002.47.2.0404
  2. Marra J., Trees C. C., O’Reilly J. E. Phytoplankton pigment absorption: A strong predictor of primary productivity in the surface ocean // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2007. Vol. 54, iss. 2. P. 155–163. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2006.12.001
  3. Cluster analysis of hyperspectral optical data for discriminating phytoplankton pigment assemblages in the open ocean / E. Torrecilla [et al.] // Remote Sensing of Environment. 2011. Vol. 115, iss. 10. P. 2578–2593. https://doi.org/10.1016/j.rse.2011.05.014
  4. Mobley C. D. Light and Water. Radiative Transfer in Natural Waters. San Diego : Academic Press, 1994. 592 p.
  5. Behrenfeld M. J., Falkowski P. G. A consumer’s guide to phytoplankton primary productivity models // Limnology and Oceanography. 1997. Vol. 42, iss.7. P. 1479–1491. https://doi.org/10.4319/lo.1997.42.7.1479
  6. Karl D. M., Knauer G. A., Martin J. H. Downward flux of particulate organic matter in the ocean: a particle decomposition paradox // Nature. 1988. Vol. 332. P. 438–441. https://doi.org/10.1038/332438a0
  7. Blough N. V., Del Vecchio R. Chromophoric DOM in the Coastal Environment // Biogeochemistry of Marine Dissolved Organic Matter / Eds. D. A. Hansell, C. A. Carlson. San Diego : Academic Press, 2002. P. 509–546. https://doi.org/10.1016/B978-012323841-2/50012-9
  8. Modeling the spectral shape of absorption by chromophoric dissolved organic matter / M. S. Twardowski [et al.] // Marine Chemistry. 2024. Vol. 89, iss. 1–4. P. 69–88. https://doi.org/10.1016/j.marchem.2004.02.008
  9. Lee Z. P., Carder K. L., Arnone R. A. Deriving inherent optical properties from water color: a multiband quasi-analytical algorithm for optically deep waters // Applied Optics. 2002. Vol. 41, iss. 27. P. 5755–5772. https://doi.org/10.1364/ao.41.005755
  10. Woźniak S. B., Stramski D. Modeling the optical properties of mineral particles suspended in seawater and their influence on ocean reflectance and chlorophyll estimation from remote sensing algorithms // Applied Optics. 2004. Vol. 43, iss. 17. P. 3489–3503. https://doi.org/10.1364/ao.43.003489
  11. Mitchell B. G. Algorithms for determining the absorption coefficient for aquatic particulates using the quantitative filter technique // Proceedings of SPIE: Ocean Optics X. 1990. Vol. 1302. P. 137–148. https://doi.org/10.1117/12.21440
  12. Tassan S., Ferrari G. M. An alternative approach to absorption measurements of aquatic particles retained on filters // Limnology and Oceanography. 1995. Vol. 40, iss. 8. P. 1358–1368. https://doi.org/10.4319/LO.1995.40.8.1358
  13. Maske H., Haardt H. Quantitative in vivo absorption spectra of phytoplankton: Detrital absorption and comparison with fluorescence excitation spectra 1 // Limnology and Oceanography. 1987. Vol. 32, iss. 3. P. 620–633. https://doi.org/10.4319/lo.1987.32.3.0620
  14. Röttgers R., Gehnke S. Measurement of light absorption by aquatic particles: improvement of the quantitative filter technique by use of an integrating sphere approach // Applied Optics. 2012. Vol. 51, iss. 9. P. 1336–1351. https://doi.org/10.1364/AO.51.001336
  15. Estimation of the Spectral Absorption Coefficients of Phytoplankton in the Sea / M. Kishino [et al.] // ICES Journal of Marine Science. 1985. Vol. 37, iss. 2. P. 634–642.
  16. Ferrari G. M., Tassan S. A Method Using Chemical Oxidation to Remove Light Absorption by Phytoplankton Pigments // Journal of Phycology. 1999. Vol. 35, iss. 5. P. 1090–1098. https://doi.org/10.1046/j.1529-8817.1999.3551090.x
  17. Practical test of a point-source integrating cavity absorption meter: the performance of different collector assemblies / R. Röttgers [et al.] // Applied Optics. 2005. Vol. 44, iss. 26. P. 5549–5560. https://doi.org/10.1364/AO.44.005549
  18. Измерения показателя поглощения морской воды с помощью интегрирующей сферы / Д. И. Глуховец [и др.] // Светотехника. 2017. № 5. С. 39–43. EDN ZWJQAH.
  19. Neukermans G., Reynolds R. A., Stramski D. Contrasting inherent optical properties and particle characteristics between an under-ice phytoplankton bloom and open water in the Chukchi Sea // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2014. Vol. 105. P. 59–73. https://doi.org/10.1016/J.DSR2.2014.03.014
  20. Lohrenz S. E. A novel theoretical approach to correct for pathlength amplification and variable sampling loading in measurements of particulate spectral absorption by the quantitative filter technique // Journal of Plankton Research. 2000. Vol. 22, iss. 4. P. 639–657. https://doi.org/10.1093/plankt/22.4.639
  21. Correction of pathlength amplification in the filter-pad technique for measurements of particulate absorption coefficient in the visible spectral region / D. Stramski [et al.] // Applied Optics. 2015. Vol. 54, iss. 22. P. 6763–6782. https://doi.org/10.1364/AO.54.006763
  22. Hoepffner N., Sathyendranath S. Determination of the major groups of phytoplankton pigments from the absorption spectra of total particulate matter // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1993. Vol. 98, iss. C12. P. 22789–22803. https://doi.org/10.1029/93JC01273
  23. Neeley A. R., Freeman S. A., Harris L. A. Multi-method approach to quantify uncertainties in the measurements of light absorption by particles // Optics Express. 2015. Vol. 23, iss. 24. P. 31043–31058. https://doi.org/10.1364/OE.23.031043
  24. van de Hulst H. C. Light Scattering by Small Particles. New York : Dover Publications. 1981. 470 p.
  25. Ли M. E., Шибанов E. Б. Концепция нового подхода к определению спектрального поглощения света в прозрачной морской воде // Современные проблемы оптики естественных вод : Труды XII Всероссийской конференции с международным участием, Санкт-Петербург, 25–27 октября 2023 года. Санкт-Петербург : Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, 2023. С. 97–102. EDN WAJPUW.
  26. Маньковский В. И. О соотношении между интегральным показателем рассеяния света морских вод и показателем рассеяния в фиксированном направлении // Морские гидрофизические исследования. 1971. № 6. С. 145 –154.
  27. Ли М. Е., Шибанов Е. Б. Новый способ определения спектрального поглощения света в море // Морской гидрофизический журнал. 2024. Т. 40, № 2. С. 198–214. EDN SZCKWQ.
  28. Ли М. Е., Шибанов Е. Б. Новый подход к определению спектрального поглощения света морской водой в конической отражающей кювете с интегрирующей сферой // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2024. Т. 17, № 3. С. 9–20. EDN GFWMQL. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2024.17(3)-1
  29. Petzold T. J. Volume scattering functions for selected ocean waters. UC San Diego : Scripps Institution of Oceanography. 1972. 82 p. (Reference SIO Series).
  30. Kullenberg G. Scattering of light by Sargasso Sea water // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1968. Vol. 15, iss. 4. P. 423–432. https://doi.org/10.1016/0011-7471(68)90050-8
  31. Pope R. M., Fry E. S. Absorption spectrum (380–700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements // Applied Optics. 1997. Vol. 36, iss. 33. P. 8710–8723. https://doi.org/10.1364/AO.36.008710
  32. Smith R. C., Baker K. S. Optical properties of the clearest natural waters (200–800 nm) // Applied Optics. 1981. Vol. 20, iss. 2. P. 177–184. https://doi.org/10.1364/AO.20.000177

Скачать статью в PDF-формате

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.