Дистанционное зондирование зон цветения фитопланктона. Подспутниковые эксперименты

Анализ возможностей использования спутниковых радиолокаторов для диагностики зон “цветения воды” является весьма важным для развития методов экологического мониторинга внутренних водоемов и прибрежных зон океана. На основе анализа данных спутниковых скаттерометров Alpers et. al. (2003) 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 концентрации последнего представлены недавно в работе Ермаков и др. (2013)
Настоящая работа является развитием предыдущих экспериментов авторов и представляет результаты натурных судовых дистанционных и контактных исследований зон цветения, выполненных квазисинхронно с радиолокационной съемкой акватории радиолокатором с синтезированной апертурой TerraSAR-X. Эксперименты проводились на Горьковском водохранилище с судна и с моторной лодки, движущихся параллельными курсами с одинаковой скоростью. С судна выполнялись измерения характеристик радиолокационного сигнала скаттерометрам Х-диапазона, скорости ветра анемометром Wind Sonic и концентрации фитопланктона зондом YSI 6600. С моторной лодки проводились измерения скоростей течений ADCP WorkHorse Sentinel, взятие проб биогенных пленок с использованием специальной сеточной методики с последующим лабораторным анализом упругих характеристик пленок методом параметрических волн, а также отбор объемных проб воды и определение ее эффективной вязкости в присутствии фитопланктона.
Исследованы профили интенсивности радиолокационного рассеяния вдоль траектории судна, измерены концентрация фитопланктона, скорости течений и восстановлены характеристики пленок и вязкость воды вдоль трека судна. Проанализированы профили сечения радиолокационного рассеяния на спутниковом изображении вдоль траектории судна. Получено, что характер изменения поперечника радиолокационного рассеяния на разрезах в изображении TerraSAR-X вдоль трека судна аналогичен изменению интенсивности сигналов судового скаттерометра. При этом показано, что с ростом концентрации фитопланктона интенсивность радиолокационного рассеяния падает. Измеренные упругости биогенных пленок и, соответственно, коэффициент затухания гравитационно-капиллярных волн в целом растут с ростом концентрации фитопланктона, что объясняет эффект подавления радиолокационного рассеяния из зон с высокой концентрацией водорослей.
Выполнены модельные расчеты изменения интенсивности радиолокационного рассеяния с концентрацией фитопланктона, с использованием полученных в экспериментах данных о характеристиках пленок и эффективной вязкости воды, теория и эксперимент удовлетворительно согласуются друг с другом. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования спутниковых РСА для диагностики зон с высокой концентрацией фитопланктона.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты 11-05-00295, 12-05-31237, 13-05-90429 Укр_ф_а, 13-05-97058, 13-05-97043), РАН (Программа Радиофизика) Правительства РФ (Гранты No. 11.G34.31.0048, 11.G34.31.0078).