Sevastopol, Russian Federation
The paper considers the long-term variability of remote sensing reflectance at 412 nm RRS(412) in several fixed subtropical regions of the World Ocean. For a separate region, the area occupied by waters with a high RRS(412) value is maximum for the local summer and minimum for the local winter. This behavior of the marine ecosystem is called "the violet breath of the ocean". The significance of this phenomenon is that its anomalies on different time scales reflect the ocean's response to global changes in the Earth's ecosystem, occurring both in individual regions of the planet and as a whole.
remote sensing, visible range, ocean violet breath, inter-annual variability indicator, global ecosystem of the Earth
Введение. Эта работа ‒ продолжение серии работ автора, начиная с 1992 года [1-3]. В этих работах впервые было описано явление, получившее название «фиолетовое дыхание океана». Суть явления состоит в высокой чувствительности коэффициента яркости моря на длине волны 412 нм (RRS(412)) к небольшим изменениям концентрации фитопланктона в верхнем слое в субтропических районах Мирового океана. В зависимости от сезона площадь, занимаемая водами с высоким значением RRS(412), заметно меняется. Она максимальна для местного лета и минимальна для местной зимы. Изменения таких площадей в настоящее время легко контролируются с помощью современных спутниковых систем, осуществляющих мониторинг Мирового океана в видимом диапазоне спектра (см. пример на рис. 1). Аналогами такого индикатора изменчивости состояния экосистемы Земли являются изменчивость площадей ледников, пустынь, вечной мерзлоты и др. В некотором смысле самые низкопродуктивные воды, расположенные в субтропических районах Мирового океана, это своего рода «пустыни» Мирового океана. Анализ изменчивости площадей низкопродуктивных вод Мирового океана можно вести двояко. С одной стороны, можно зафиксировать величину RxRS(412) и рассчитывать площадь, занимаемую в океане водами с RRS(412) > RxRS(412) как функцию времени. С другой стороны, можно зафиксировать площадь в субтропическом районе и рассчитывать для нее среднее значение <RRS(412)> как функцию времени.
В этой работе выбран второй путь. Таким образом, цель работы заключалась в том, чтобы, имея многолетний набор данных о RRS(412) более чем за 25-летний период, оценить динамику аномалий его средних значений в субтропических районах Мирового океана.
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 1 ‒ Оптические типы вод, полученные по данным биоспектрометра трассерного типа, установленного на спутнике «Интеркосмос-21» [4] для лета 1981 г. (а) и зимы 1981-1982 гг. (б) в Северном полушарии http://188.191.18.54/interkos.html; объединённые карты хлорофилла а с сайта НАСА, полученные для июня 2023 г. (в) и декабря 2023 г. (г) по данным MODIS & VIIRS https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/browse.pl |
|
*(а)
(в)
*(б)
(г)*к сожалению качество рисунка низкое, т. к. получено путём сканирования со слайда, сделанного ещё в 1985 году.
Методы и материалы. В качестве инструмента исследования использован программный продукт НАСА ‒ Giovanni Data Visualizer (The Bridge Between Data and Science v 4.40), который, по существу, является инструментом взаимодействия между исследователем и большим набором данных разных объектов окружающей среды.
В конкретном случае речь идёт о формировании временного ряда осредненного для заданной площади среднемесячных значений параметра RRS(412) 4-х км разрешения по пространству, которые являются продуктом обработки измерений сканера MODIS-Aqua, полученных за период с июля 2022 г. по декабрь 2024 г.
С использованием среднемесячных данных выполнен расчёт аномалий 
для заданного района в субтропической области океана как функции времени (года)
= 
-
,
где ‒ текущее среднемесячное значение 
для данного района, m ‒ месяц, i ‒ порядковый номер месяца от июля 2002 г. до декабря 2024 года. Кроме того, были получены коэффициенты линейной регрессии α и β для 
, где y ‒ , x ‒ год.
Исследование проведено для всех пяти субтропических районов Мирового океана: по одному в северной и южной частях Тихого и Атлантического океанах и один в Индийском океане (см. табл. 1 и рис. 2‒6, левый).
Результаты и их обсуждение. Результаты анализа представлены в табл. 1 и на рис. 2‒6, правый. В табл. 1 приведены коэффициенты линейного тренда аномалий . На рис. 2‒6, правый показана их конкретная реализация.
Таблица 1. Коэффициенты линейной связи,
описывающие тренд во времени средней по району величины
|
Номер района |
Район в субтропической области |
α |
β |
Номер рисунок |
|
1 |
Тихий океан: северная часть |
1.959E-05 |
-0.0394 |
2 |
|
2 |
Тихий океан: южная часть часть |
-6.515E-05 |
0.1312 |
3 |
|
3 |
Атлантический океан: южная часть часть |
-5.2340E-05
|
0.1054 |
4 |
|
4 |
Индийский океан |
-1.740E-05 |
0.0350 |
5 |
|
5 |
Атлантический океан: северная часть часть |
-6.182E-06 |
0.0124 |
6 |
Ниже приведены предварительные результаты для всех пяти районов.
Район 1 ‒ северная часть Тихого океана. Наблюдается слабый положительный тренд (т. е. эта часть океана становится «беднее» ‒ в среднем продуктивность уменьшается, концентрация хлорофилла а в верхнем слое становиться меньше); прослеживается цикличность изменения с периодом ~ 2.5‒3 года.
Район 2 ‒ южная часть Тихого океана: отрицательный тренд (продуктивность увеличивается); заметная флуктуация в период с 2020 по 2025 гг.; удалось зафиксировать один период 11-летнего цикла.
Район 3 ‒ южная часть Атлантического океана: колебания относительно прямой носят хаотичный характер (хотя есть некоторые выбросы, которые нельзя отнести к «шуму»); зафиксирован отрицательный тренд, что указывает на увеличение продуктивности в данном районе.
Район 4 ‒ Индийский океан: слабый отрицательный тренд (временами со статистически значимыми выбросами); прослеживаются циклы с периодом 5‒7 лет.
Район 5 ‒ северная часть Атлантического океана: слабый отрицательный тренд (временами со статистически значимыми выбросами); зафиксировано высокое значение , которое по времени совпадает с аварией в Мексиканском заливе (взрыв нефтяной платформы Deepwater Horizon: 20 апреля 2010 года) и привело к существенному росту продуктивности, а затем по времени пример восстановления морской экосистемы (она даже проскочила положение равновесия!) с сохранением слабого отрицательного тренда.
|
|
|
|
Рисунок 2 ‒ Положение выбранного района в субтропической области северной части Тихого океана (слева) и аномалия |
|
|
|
|
|
Рисунок 3 ‒ Положение выбранного района в субтропической области южной части Тихого океана (слева) и аномалия |
|
|
|
|
|
Рисунок 4 ‒ Положение выбранного района в субтропической области южной части Атлантического океана (слева) и аномалия |
|
|
|
|
|
Рисунок 5 ‒ Положение выбранного района в субтропической области южной части Индийского океана (слева) и аномалия |
|
|
|
|
|
Рисунок 6 ‒ Положение выбранного района в субтропической области северной части Атлантического океана (слева) и аномалия |
|
Выводы. Коэффициент яркости моря является эффективным индикатором, который отражает реакцию морской экосистемы на глобальном (изменение климата планеты) и региональном уровне (катастрофы). В четырёх из пяти субтропических районах наблюдается тренд на повышение продуктивности разной интенсивности ‒ наибольший в южной части Тихого океана. Положительный тренд, т. е. понижение продуктивности ‒ в северной части Тихого океана.
Благодарности. Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ № FNNN-2024-0012.
1. Suslin V.V. Uchet atmosfernyh faktorov pri vosstanovlenii spektral'nogo koefficienta yarkosti otkrytogo okeana po distancionnym izmereniyam iz kosmosa // Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoy stepeni kandidata fiziko-matematicheskih nauk / Sevastopol', 1992.
2. Suslin V.V. The violet breath of the World Ocean // Present at the Seventh International Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments, Miami, Florida/USA, 2002. May 2002.
3. Suetin V.S., Suslin V.V. Illyustraciya izmenchivosti koefficienta spektral'noy yarkosti otkrytogo okeana po dannym izmereniy s ISZ «INTERKOSMOS-21» // Issledovanie Zemli iz kosmosa. 1992. № 3. S. 3-9.
4. Bischoff K., Orlicek E., Schmelovsky K.H., Zimmermann G. First results of the Interkosmos satellite IK21 // Acta Astronaut. 1983. V. 10. № 1. R. 3135.
