Morskoj gidrofizičeskij žurnal Morskoj gidrofizičeskij žurnal Морской гидрофизический журнал 0233-7584 20240404 OBGXYK Analysis of observations and methods of calculating Hydrophysical fields in the ocean Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Research Article Comparison of Bio-Optical Properties of Optically Complex Waters with Different Trophic Status Сравнительная оценка биооптических показателей вод в акваториях с различным трофическим статусом https://orcid.org/0000-0002-0045-7284 O-8437-2016 2238-9533 Churilova T. Ya. Чурилова Т. Я.
Russian Federation

ведущий научный сотрудник, руководитель лаборатории фотосинтеза и биооптики моря, ФГБУН ФИЦ ИнБЮМ (Россия, 299011, г. Севастополь, пр. Нахимова, д. 2), кандидат биологических наук

 tanya.churilova@ibss-ras.ru https://orcid.org/0000-0003-3908-4160 X-1355-2019 1668-0742 Efimova T. V. Ефимова Т. В.
Russian Federation

старший научный сотрудник лаборатории фотосинтеза и биооптики моря, ФГБУН ФИЦ ИнБЮМ (Россия, 299011, г. Севастополь, пр. Нахимова, д. 2), кандидат биологических наук

 tefimova@ibss-ras.ru https://orcid.org/0000-0003-1356-7981 AAH-2819-2019 8946-3315 Moiseeva N. A. Моисеева Н. А.
Russian Federation

научный сотрудник лаборатории фотосинтеза и биооптики моря, ФГБУН ФИЦ ИнБЮМ (Россия, 299011, г. Севастополь, пр. Нахимова, д. 2)

 moiseeva@ibss-ras.ru https://orcid.org/0000-0002-3057-3964 A-6831-2019 3314-5775 Skorokhod E. Yu. Скороход Е. Ю.
Russian Federation

научный сотрудник лаборатории фотосинтеза и биооптики моря, ФГБУН ФИЦ ИнБЮМ (Россия, 299011, г. Севастополь, пр. Нахимова, д. 2)

 elenaskorokhod@ibss-ras.ru Kalmykova D. V. Калмыкова Д. В.
Russian Federation

младший научный сотрудник лаборатории фотосинтеза и биооптики моря, ФГБУН ФИЦ ИнБЮМ (Россия, 299011, г. Севастополь, пр. Нахимова, д. 2)

 daria-k.kalmykova@ibss-ras.ru https://orcid.org/0000-0002-7037-4812 2990-6901 Sutorikhin I. A. Суторихин И. А.
Russian Federation

главный научный сотрудник лаборатории гидрологии и геоинформатики, ИВЭП СО РАН (Россия, 656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, д. 1), доктор физико-математических наук, профессор

 sia@iwep.ru https://orcid.org/0000-0003-1080-737X 7749-7710 Kirillov V. V. Кириллов В. В.
Russian Federation

кандидат биологических наук, доцент, заведующий Лабораторией водной экологии, ИВЭП СО РАН (Россия, 656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, д. 1)

 vkirillov@iwep.ru A. O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas, Russian Academy of Sciences Sevastopol Russia Институт биологии южных морей имени А. О. Ковалевского РАН Севастополь Россия Institute for Water and Environmental Problems, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences Barnaul Russia Институт водных и экологических проблем СО РАН Барнаул Россия 31 08 2024 40 4 556 575 04 03 2024 06 04 2024 16 05 2024 Copyright ©; 2024, Churilova T.Ya., Efimova T.V., Moiseeva N.A., Skorokhod E.Yu., Kalmykova D.V., Sutorikhin I.A., Kirillov V.V. Copyright ©; 2024, Чурилова Т.Я., Ефимова Т.В., Моисеева Н.А., Скороход Е.Ю., Калмыкова Д.В., Суторихин И.А., Кириллов В.В. 2024 Churilova T.Ya., Efimova T.V., Moiseeva N.A., Skorokhod E.Yu., Kalmykova D.V., Sutorikhin I.A., Kirillov V.V. Чурилова Т.Я., Ефимова Т.В., Моисеева Н.А., Скороход Е.Ю., Калмыкова Д.В., Суторихин И.А., Кириллов В.В. https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ https://xn--c1agq7a.xn--p1ai/repository/issues/2024/04/04/

Purpose. Development of regional satellite algorithms requires the information on bio-optical properties of a particular water area. The present study is aimed at comparative analyzing the bio-optical properties of optically complex waters differing in their trophic status.

Methods and Results. The study combined the results of measuring the spectral bio-optical properties in the waters of the Black, Azov, Barents and Norwegian seas, the Arctic and Southern oceans (Atlantic sector), and the Baikal and Teletskoye lakes. Spectral coefficients of light absorption by phytoplankton, non-algal particles and colored dissolved organic matter were measured in accordance with the International Ocean Colour Coordinating Group Protocols. The study areas included the waters with trophic levels from the oligotrophic to eutrophic ones (the chlorophyll a concentrations in the surface layers varied from 0.066 to 24 mg·m−3), and with high heterogeneity in their bio-optical properties: the total non-water light absorption at the wavelength 438 nm varied from 0.021 to 0.97 m−1.

Conclusions. In all the regions, a high (within an order of magnitude or higher) spatial variability in the values of light absorption coefficients by all the optically active components and their ratios was noted. This fact indicates the optical complexity of waters in each of the regions under study. The regional specificity of parameterization coefficients for light absorption by phytoplankton, non-algal particles and colored dissolved organic matter was shown. The revealed parameterization coefficients for light absorption by the optically active components can be used to develop the regional satellite algorithms for assessing water quality and productivity indicators. Based on the empirically revealed dependencies, the following additional indicators of water quality were proposed: the euphotic zone depth and the spectral characteristics of downwelling irradiance which can be retrieved based on remote sensing data.

Цель. Для развития региональных спутниковых алгоритмов требуется информация о биооптических показателях вод конкретной акватории. Настоящие исследования были нацелены на сравнительный анализ биооптических показателей вод, различающихся по оптическим характеристикам и трофическому статусу.

Методы и результаты. В работе объединены результаты измерений спектральных биооптических показателей вод Черного, Азовского, Баренцева и Норвежского морей, Северного Ледовитого океана, Южного океана (Атлантический сектор), Байкала и Телецкого озера. Спектральные показатели поглощения света пигментами фитопланктона, неживым взвешенным и окрашенным растворенным органическим веществом измеряли в соответствии с современными протоколами International Ocean Colour Coordinating Group. Районы исследования включали акватории с уровнем трофности от олиготрофного до эвтрофного (значения концентрации хлорофилла a в поверхностных водах варьировали от 0,066 до 24 мг·м–3) и с высокой неоднородностью по биооптическим характеристикам: значения показателя суммарного поглощения света взвешенным и растворенным органическим веществом (за исключением воды) на длине волны 438 нм изменялись от 0,021 до 0,97 м–1.

Выводы. Во всех районах отмечена высокая (в пределах порядка и более) пространственная изменчивость значений показателей поглощения света всеми оптически активными компонентами среды и их соотношений, что свидетельствует об оптической контрастности вод в каждом из исследованных регионов. Показана региональная специфичность коэффициентов параметризации поглощения света пигментами фитопланктона, неживым взвешенным и окрашенным растворенным органическим веществом. Установленные коэффициенты параметризации поглощения света оптически активными компонентами среды могут быть использованы для развития региональных спутниковых алгоритмов оценки показателей качества и продуктивности вод. На основе эмпирически установленных зависимостей были предложены дополнительные показатели качества водной среды – глубина зоны фотосинтеза и характеристика спектрального состава света в море, которые могут восстанавливаться по спутниковым данным.

 chlorophyll a light absorption phytoplankton non-algal particles colored dissolved organic matter Black Sea Sea of Azov Barents Sea Norwegian Sea Arctic Ocean Southern Ocean Lake Baikal Lake Teletskoye хлорофилл a поглощение света пигменты фитопланктона неживое взвешенное вещество растворенное органическое вещество Черное море Азовское море Баренцево море Норвежское море Северный Ледовитый океан Южный океан озеро Байкал Телецкое озеро The study was carried out within the framework of the state assignment theme No. 124030100106-2 “Study of regional features of bio-optical properties of water bodies as a basis for decoding remote sensing data to assess multi-scale variability of primary production characteristics of pelagic ecosystems”. Исследование выполнено в рамках темы госзадания №124030100106-2 «Исследование региональных особенностей биооптических показателей водоемов как основы дешифрования данных дистанционного зондирования для оценки мультимасштабной изменчивости первично продукционных характеристик пелагических экосистем».

Текст статьи не включен.

Список литературы DoneyS. C. Climate change impacts on marine ecosystems Annual Review of Marine Science 2012 4 11 37 10.1146/annurev-marine-041911-111611 GroomS. Satellite Ocean Colour: current status and future perspective Frontiers in Marine Science 2019 6 485 10.3389/fmars.2019.00485 SathyendranathS. An ocean-colour time series for use in climate studies: the experience of the Ocean-Colour Climate Change Initiative (OC-CCI) Sensors 2019 19 19 4285 10.3390/s19194285 AdjovuG. E. Overview of the application of remote sensing in effective monitoring of water quality parameters Remote Sensing 2023 15 7 1938 10.3390/rs15071938 MobleyC. D. The Oceanic Optics Book Dartmouth International Ocean Colour Coordinating Group (IOCCG) 2022 924 10.25607/OBP-1710 MélinF. Uncertainties in Ocean Colour Remote sensing Dartmouth International Ocean Colour Coordinating Group 2019 170 (IOCCG Report Series ; no. 18) MorelA. PrieurL. Analysis of variations in ocean color Limnology and Oceanography 1977 22 4 709 722 10.4319/lo.1977.22.4.0709 MobleyC. D. Optical modeling of ocean waters: is the case 1 - case 2 classification still useful? Oceanography 2004 17 2 60 68 10.5670/oceanog.2004.48 MélinF. VantrepotteV. How optically diverse is the coastal ocean? Remote Sensing of Environment 2015 160 235 251 10.1016/j.rse.2015.01.023 KopelevichO. V. Application of SeaWiFS data for studying variability of bio-optical characteristics in the Barents, Black and Caspian Seas Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography 2004 51 10-11 1063 1091 10.1016/S0967-0645(04)00101-8 SuslinV. ChurilovaT. A regional algorithm for separating light absorption by chlorophyll-a and coloured detrital matter in the Black Sea, using 480–560 nm bands from ocean colour scanners International Journal of Remote Sensing 2016 37 18 4380 4400 10.1080/01431161.2016.1211350 СуслинВ. В. Концентрация хлорофилла-а в Черном море: сравнение спутниковых алгоритмов Фундаментальная и прикладная гидрофизика 2018 11 3 64 72 VALADQ 10.7868/S2073667318030085 EfimovaT. V. Dynamics in pigment concentration and light absorption by phytoplankton, non-algal particles and colored dissolved organic matter in the Black Sea coastal waters (near Sevastopol) Proceedings of SPIE 2024 10833 108336C 10.1117/12.2504657 EfimovaT. Light absorption by optically active components in the Arctic Region (August 2020) and the possibility of application to satellite products for water quality assessment Remote Sensing 2023 15 17 4346 10.3390/rs15174346 MoiseevaN. A. Spectral bio-optical properties of Lake Teletskoye in summer Proceedings of SPIE 2023 12780 1278049 10.1117/12.2690958 ChurilovaT. Ya. Preliminary results of bio-optical investigations at Lake Baikal Limnology and Freshwater Biology 2018 1 58 61 10.31951/2658-3518-2018-A-1-58 ChurilovaT. Ya. Parameterization of light absorption of phytoplankton, non-algal particles and coloured dissolved organic matter in the Atlantic Region of the Southern Ocean (Austral Summer of 2020) Remote Sensing 2023 15 3 634 10.3390/rs15030634 ChurilovaT. Ya. Study of absorption characteristics of phytoplankton, particles and colored dissolved organic matter in Lake Baikal (July 2018 and September 2019) Limnology and Freshwater Biology 2020 2 387 390 10.31951/2658-3518-2020-A-2-387 ЧуриловаТ. Я. Спектральные показатели поглощения света взвешенным веществом и растворенным органическим веществом в Азовском море Фундаментальная и прикладная гидрофизика 2022 15 3 73 83 10.59887/fpg/ex1p-9vtp-phu8 МатишовГ. Г. Оценки концентрации хлорофилла а и первичной продукции в Азовском море с использованием спутниковых данных Доклады Академии наук 2010 432 4 563 566 MSQXQT YunevO. A. Long-term variations of surface chlorophyll a and primary production in the open Black Sea Marine Ecology Progress Series 2002 230 11 28 10.3354/meps230011 СтельмахЛ. В. Интенсивность фотосинтеза двух размерных фракций фитопланктона в евтрофных водах Севастопольской бухты Гидробиологический журнал 1992 28 3 14 20 PitchfordJ. W. BrindleyJ. Iron limitation, grazing pressure and oceanic high nutrient-low chlorophyll (HNLC) regions Journal of Plankton Research 1999 21 3 525 547 10.1093/plankton/21.3.525 Le FouestV. Modeling plankton ecosystem functioning and nitrogen fluxes in the oligotrophic waters of the Beaufort Sea, Arctic Ocean: a focus on light-driven processes Biogeosciences 2013 10 7 4785 4800 10.5194/bg-10-4785-2013 ArdynaM. Parameterization of vertical chlorophyll a in the Arctic Ocean: impact of the subsurface chlorophyll maximum on regional, seasonal, and annual primary production estimates Biogeosciences 2013 10 6 4383 4404 10.5194/bg-10-4383-2013 КудеринаТ. М. Экологическое состояние Телецкого озера при современных изменениях окружающей среды Полевые исследования в Алтайском биосферном заповеднике 2019 1 86 91 RQHDYG JeffreyS. W. HumphreyG. F. New spectrophotometric equations for determining chlorophylls a, b, c1 and c2 in higher plants, algae and natural phytoplankton Biochemie und Physiologie der Pflanzen 1975 167 2 191 194 10.1016/S0015-3796(17)30778-3 LorenzenC. J. Determination of chlorophyll and pho-pigments: spectrophotometric equations Limnology and Oceanography 1967 12 2 343 346 10.4319/lo.1967.12.2.0343 NeeleyA. R. ManninoA. Inherent optical property measurements and protocols: absorption coefficient Dartmouth, NS, Canada 2018 83 (IOCCG Protocol series ocean optics & biogeochemistry protocols for satellite ocean colour sensor validation ; vol. 1) 10.25607/OBP-119 ManninoA. Measurement protocol of absorption by chromophoric dissolved organic matter (CDOM) and other dissolved materials Dartmouth, Canada IOCCG 2019 77 URL: https://ioccg.org/wp-content/uploads/2019/10/cdom_abs_protocol_public_draft-19oct-2019-sm.pdf (дата обращения: 30.07.2024) BricaudA. Variability in the chlorophyll-specific absorption coefficients of natural phytoplankton: Analysis and parameterization Journal of Geophysical Research: Oceans 1995 100 C7 13321 13332 10.1029/95JC00463 BabinM. Variations in the light absorption coefficients of phytoplankton, nonalgal particles, and dissolved organic matter in coastal waters around Europe Journal of Geophysical Research: Oceans 2003 108 C7 3211 10.1029/2001JC000882 JeffreyS. W. MantouraR. F. C. WrightS. W. Phytoplankton pigments in oceanography: Guidelines to modern method Paris UNESCO publishing 1997 661 ЧуриловаТ. Я. ФиненкоЗ. З. АкимовА. И. Пигменты микроводорослей Микроводоросли Черного моря: проблемы сохранения биоразнообразия и биотехнологического использования Севастополь ЭКОСИ-гидрофизика 2008 301 319 KirkJ. T. O. Light and photosynthesis in aquatic ecosystems 3rd ed. Cambridge Cambridge University Press 2011 665 HelmsJ. R. Absorption spectral slopes and slope ratios as indicators of molecular weight, source, and photobleaching of chromophoric dissolved organic matter Limnology and Oceanography 2008 53 3 955 969 10.4319/lo.2008.53.3.0955 NelsonN. B. SiegelD. A. The Global Distribution and Dynamics of Chromophoric Dissolved Organic Matter Annual Review of Marine Science 2013 5 447 476 10.1146/annurev-marine-120710-100751 ЧуриловаТ. Я. Влияние взвешенного и растворенного органического вещества на спектральные характеристики облученности и эффективность поглощения света пигментами фитопланктона в прибрежных водах Черного моря Фундаментальная и прикладная гидрофизика 2020 13 2 43 50 PASVZI 10.7868/S2073667320020057 MorelA. BricaudA. Theoretical results concerning light absorption in a discrete medium, and application to specific absorption of phytoplankton Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers 1981 28 11 1375 1393 10.1016/0198-0149(81)90039-X FinenkoZ. Z. Phytoplankton carbon to chlorophyll a ratio: response to light, temperature and nutrient limitation Морской экологический журнал 2003 2 2 40 64 FichotC. G. Pan-Arctic distributions of continental runoff in the Arctic Ocean Scientific Reports 2013 3 1053 10.1038/srep01053 Sánchez-GarcíaL. Inventories and behavior of particulate organic carbon in the Laptev and East Siberian seas Global Biogeochemical Cycles 2011 25 2 GB2007 10.1029/2010GB003862 ZatsepinA. G. The upper desalinated layer in the Kara Sea Oceanology 2010 50 5 657 667 10.1134/S0001437010050036 ChurilovaT. Ya. Water transparency and spectral downwelling irradiance in the Black and Azov seas and in Lake Teletskoye Proceedings of SPIE 2023 12780 1278047 10.1117/12.2690845