Лазерные измерительные системы для мониторинга фитопланктонных сообществ и процессов, влияющих на их состояние

• Автор: Майор, Александр Юрьевич
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Владивосток
• Количество страниц: 275 с. : ил.

Глава 1 Методы и технические средства исследования океана

и атмосферы

1.1 Измерения ЛИФ спектров морской воды и органического

вещества, присутствующего в морской воде в различных формах

1.2 Лазерная искровая спектроскопия

1.3 Быстродействующие регистраторы оптических сигналов

для систем лазерного зондирования океана и атмосферы

Глава 2 Судовой лазерный флуориметр и метод лазерной

флуориметрии для оперативного измерения спектров лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ) органического вещества, присутствующего в морской воды в различных формах

2.1 Выбор общей схемы судового лазерного флуориметра

2.2 Лазерный источник для судового лазерного флуориметра

2.3 Автоматизированный спектральный комплекс
Система регистрации и предварительной обработки сигналов
2.4 Малогабаритный вариант флуориметра
2.5 Определение биооптических компонент с использованием разработанного ЛИФ спектрометра
2.6 Измерение концентрации хлорофилла «А» в морской воде
методом ЛИФ
Глава 3 Судовой лазерный спектрометр и метод исследования элементного состава жидких сред с использованием лазерной искровой спектроскопии
3.1 Основы лазерной искровой спектроскопии жидких сред
3.2 Одноимпульсное и многоимпульсное возбуждение
Разработка лазерного источника

3.3 Судовой ЛИС спектрометр
3.4 Метод пространственной селекции
3.5 Калибровка метода ЛИС
Глава 4 Быстродействующие измерительные системы регистрации
лидарных сигналов малой интенсивности
4.1 Особенности регистрации слабых, быстропротекающих
световых процессов
4.2 Счетчик фотонов, работающий через шину ISA
4.3 Платы управления и синхронизации счетчика фотонов
4.4 Плата счетчиков фотонов
4.5 Модификация счетчика фотонов для работы через шину USB
4.6 Система регистрации быстрых аналоговых сигналов ФЭУ гидролидара
Глава 5 Использование разработанных лазерных измерительных
систем для исследования океана и атмосферы
5.1 Лидарное зондирование атмосферного аэрозоля, исследование
динамики аэрозольных слоев в атмосфере
5.2 Использование метода и аппаратуры ЛИС для мониторинга
качества морской воды
5.3 Использование проточного лазерного флуориметра и метода
ЛИФ для проведения исследования биооптических параметров верхнего слоя океана
5.4 Применение гидролидара для исследования динамики светорассеивающих слоев в верхнем слое океана
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы

На современном этапе невозможно всестороннее исследование окружающей среды без дальнейшего развития оптических методов и средств зондирования океана и атмосферы. Бурное развитие лазерной техники в последние десятилетия значительно расширило круг решаемых задач мониторинга окружающей среды. Это послужило основой развития активных оптических дистанционных методов и средств исследования океана и атмосферы. Но за эти же годы произошли заметные изменения в климате планеты: глобально - это повышение средней температуры, локально же отмечается повышение жесткости климата - резче стали перепады температуры, меняется солнечный радиационный режим и т.д. Эти изменения не могут не сказаться на состоянии морских экосистем и на функционирование входящих в них фитопланктонных сообществ (на состояние фотосинтезирующей системы клеток фитопланктона). Фитопланктон играет ключевую роль и как основа кормовых цепей в морских экосистемах, и как источник кислорода на планете.
Можно отметить три основных процесса в которых фитопланктон является наиболее важным фактором:
- насыщение атмосферы кислородом. Оценки вклада фитопланктона в производство кислорода на планете колеблются в пределах от 35% до 70% [1];
- производство органического вещества в океане;
- поглощение двуокиси углерода в процессе реакции фотосинтеза.
По некоторым оценкам [2] фитопланктон производит 95% растворимого органического вещества в океане. Содержание растворенного органического углерода (РОУ) в океане соизмеримо по величине с содержанием С02 в атмосфере, а также составляет примерно 20% от общего органического вещества на Земле (исключая керогены и уголь) [3].

- основные гидрологические параметры морской воды (температура, соленость) должны восстанавливаться одновременно с измерением спектров ЛИФ;
конструкция флуориметра должна обеспечивать работу на неспециализированных судах при высоких значениях влажности в широком диапазоне температур окружающего воздуха;
спектральное разрешение должно обеспечивать раздельную регистрацию линий флуоресценции пигментов морского фитопланктона и комбинационного рассеяния морской воды. Учитывая, что ширина по полувысоте основных исследуемых линий: КР воды ~16 нм, хлорофилла «А» более 20 нм, а расстояние между максимумами линий того же порядка -32 нм, то необходимо обеспечить разрешение приемной системы на порядок выше ширины регистрируемых линий - от 1.6 до 2 нм. Это разрешение может обеспечить большинство малогабаритных монохроматоров с дифракционной решеткой рассчитанной на работу в видимом диапазоне.
В результате анализа требований к судовому ЛИФ спектрометру, и исходя из круга задач, для решения которых разрабатывался данный флуориметр, была выбрана схема проточного варианта. Лидарная схема измерения не подходит для решения ряда задач, в частности для проведения сравнительного анализа со спутниковыми данными. Кроме того, результаты измерения спектров флуоресценции морской воды при этом способе измерения сильно зависят от состояния морской поверхности [37,110, 70, 72, 111], что значительно ограничивает области использования флуориметра в лидарном исполнении. В работе [112] авторы привели результаты сравнения измерения абсолютной концентрации красителя родамина «Ж» в морской воде лидаром, описанным в [21], с 40-канальным приемником сигнала на ФЭУ, и лабораторным ЛИФ спектрометром. Спектрометр включал в себя лазерный излучатель, измерительную кварцевую кювету, собирающую линзу и приемник - двойной сканирующий монохроматор с ФЭУ. Как показали