Подспутниковые комплексные исследования зон цветения фитопланктона в Горьковском водохранилище

Использование спутниковых систем для диагностики зон “цветения воды” является весьма актуальным для развития методов экологического мониторинга внутренних водоемов и прибрежных зон океана. Ранее на основе анализа данных спутниковых скаттерометров [1] сделали вывод о том, что зоны цветения фитопланктона могут детектироваться на радиолокационных изображениях морской поверхности. Первое прямое свидетельство связи интенсивности радиолокационного рассеяния, характеристик биогенных пленок, связанных с фитопланктоном, и его концентрации были представлены в работе [2].
В настоящей работе представлены, как развитие результатов предыдущих экспериментов, так и данные новых комплексных радиофизических исследований зон цветения фитопланктона. Работы проводились в 2022 году на Горьковском водохранилище с борта плавучей лаборатории ИПФ РАН “Геофизик”. Судовые наблюдения включали измерения концентрации фитопланктона зондом YSI EXO 2, отбор проб поверхностных пленок и анализ их характеристик, радиолокационное зондирование ветрового волнения СВЧ-скаттерометрами (длины волн 8 мм и 3 см), скорости ветра и течений. Наблюдения проводились квазисинхронно со съемкой акватории со спутника Sentinel-2 в оптическом и ИК- диапазонах (инструмент MSI).
Получено, что вариации концентрации фитопланктона вдоль трека судна, как и следовало ожидать, находятся в хорошем соответствии с вариациями яркости оптического изображения в зеленой части спектра из-за объемного рассеяния фитопланктоном из подповерхностных слоев воды толщиной порядка единиц метров. В то же время, области наиболее интенсивного цветения проявляются и на спутниковых панорамах в ИК диапазоне (0,8 и 1,6 мкм), которые описывают рассеяние ИК-излучения непосредственно на поверхности воды. Проявление таких областей цветения на ИК изображениях обусловлено наличием биогенных пленок, зачастую достаточно толстых, которые наблюдаются благодаря наличию частиц (пыли, цвета растений, пыльцы и др.) и сгустков водорослей на водной поверхности. Присутствие на поверхности воды биогенных пленок подтвердили и полученные в эксперименте достаточно низкие значения коэффициента поверхностного натяжения в поверхностных пробах.
В целом, интенсивность сигналов СВЧ-скаттерометров снижалась в зонах сильного цветения из-за подавления мелкомасштабной ветровой ряби, хотя корреляция вариаций интенсивности радиолокационного рассеяния, концентрации водорослей и коэффициента поверхностного натяжения не всегда была высокой. Это может быть связано с рядом причин. Во-первых, в условиях достаточно высокой в целом концентрации биогенных пленок, вариации этой концентрации уже не приводят к сильным вариациям коэффициента затухания и, соответственно, вариациям интенсивности ветровой ряби. Во-вторых, пульсации скорости ветра маскируют эффект подавления волн пленками. Наконец, сравнение “мгновенной” спутниковой панорамы с результатами судовых измерений, проводившихся в течение порядка часа, позволяет лишь качественно оценить соответствие спутниковых данных и данных натурных экспериментов.
Работа выполнена в рамках Госзадания 0030-2021-0006, соглашения с Минобрнауки №075-15-2020-776, а также гранта РГО 17_2022-Р “Экспедиция Плавучий университет Волжского бассейна”.