Севастополь, Россия
УДК 53 Физика
ГРНТИ 29.00 ФИЗИКА
ОКСО 05.00.00 Науки о Земле
ББК 26 Науки о Земле
ТБК 63 Науки о Земле. Экология
BISAC SCI053000 Physics / Optics & Light
Получены статистические оценки температуры и биооптических характеристик зал. Камга Телецкого озера в марте 2024 года выше и и ниже эвфотическиого слоя для трех типов станций со льда, у кромки льда и на открытой воде.
Телецкое озеро, залив Камга, температура, биооптические характеристики, холодный период, эвфотический слой, лёд, кромка льда, чистая вода
Введение. В условиях глобального изменения климата, существенного увеличения турпотока как организованных групп, так и самодеятельных туристов, и связанной с этим развитие соответствующей инфраструктуры, требует усилий, направленных на мониторинг ряда индикаторов, характеризующих качество окружающей среды.
Телецкое озеро уникальный природный объект Республики Алтай [1], восточный берег которого является частью обширного заповедника, в задачи которого входит сохранение флоры и фауны, а так же отслеживание изменений, происходящих в экосистеме заповедника, включая состояние его водных ресурсов.
Одним из таких источников информации являются регулярные прямые измерения оптических свойств воды на специальных контрольных полигонах. В данном случае в качестве такого полигона был выбран зал. Камга, как наиболее охраняемый объект на акватории Телецкого озера.
Цель данной работы – исследовать биооптические характеристики Телецкого озера в холодный период времени года в зал. Камга Телецкого озера.
Материалы и методы. Период экспедиции – 17-27 марта 2024 г. В данной работе выполнен анализ измерений профилей температуры и биооптических параметров, полученных 18, 19 и 21 марта в зал. Камга (рис. 1а). Восточная часть залива была покрыта льдом со снежным покровом, западная часть залива была свободна ото льда. Измерения выполнялись в дневное время. Ветровая ситуация была стабильна. В первой половине дня - штиль, во второй половине - слабый и умеренный ветер. За три дня было сделано четыре съёмки: две со льда и по одной у кромки льда и на воде, свободной ото льда (см. рис. 1б,в и табл. 1). Более подробная информация о количестве станций, их расположении и условиях на поверхности озера дана в табл. 1.
В качестве зондирующего прибора пользовался зонд Кондор [2], который выполнял синхронные измерения профилей температуры (Т), показателя ослабления света на длине волны 660 нм (Turb), флуоресценции хлорофилла–а (f-Chla) и органического вещества (f-DOM) и фотосинтетически активной радиации (ФАР) с шагом по глубине 0.5 м.
Калибровка датчика температуры выполнялась в лабораторных условиях непосредственно перед экспедицией с использованием платинового эталонного термометра в соответствии с Государственной поверочной схемой для средств измерения температуры (ГОСТ 8.558-93)
Датчики ФАР и Turb были прокалиброваны. Калибровка Turb проводилась перед экспедицией в лабораторных условиях по результатам измерений в растворах суспензии формазина заданной концентрации (единицы ftu). По данным [3], измерители коэффициента ослабления пучка могут быть откалиброваны как в ftu, так и в м–1.
От датчиков f-Chla и f-DOM требовалась только стабильность и линейность шкал, что также контролировалось. Единицы измерения сигналов f-Chla и f-DOM – у. е. (условные единицы).
Таблица 1. Информация о трёх районах исследования в зал. Камга Телецкого озера (время московское, местное +4 часа)
|
Состояние водной поверхности |
||
|
Лёд |
Кромка льда |
Открытая вода |
|
Количество съёмок - 2
Номера станций (дата время) 17-24 (19 марта 9:35-11:23) 27-38 (21 марта 10:09-12:08) |
Количество съёмок -1
Номера станций (дата время) 6-10 (18 марта 9:28-9:55) |
Количество съёмок -1
Номера станций (дата время) 1-5, 11-15 (18 марта 8:33-9:20, 10:01-10:25) |
Методы предполагали выполнение расчёта нижней границы эвфотического слоя по прямым, синхронными с другими параметрами, измерениям профиля ФАР. Ослабление ФАР с глубиной рассчитывается по формуле:
|
ФАР(z) = ФАР(0–)∙exp(–Kd ∙ z), |
(1) |
где Kd – показатель ослабления ФАР, который, вообще говоря, является функцией глубины.
|
(а)
Рисунок 1: (а) – Телецкое озеро (зал. Камга выделен прямоугольником белого цвета), (б) – номера и положения станций, выполненных 21 марта в зал. Камга (г) - номера и положения станций, выполненных 18 и 19 марта в зал. Камга |
(б) |
|
(в) |
В этой работе мы полагали Kd константой для каждой конкретной станции. Значение Kd легко находится из профиля ФАР, как тангенс угла наклона между ln(ФАР(z)) и глубиной z (см. рис. 1). Зная, Kd легко определить константу ФАР(0–), как продолжение линейной связи при z→0–. Исходя из определения Zeu, что 
, получаем выражение для его определения по измерениям in situ
|
|
(2) |
После определения толщины эвфотического слоя находились статистические характеристики температуры и биооптических параметров в самом эвфотическом слое и ниже него вплоть до максимальной глубины зондирования.
Результаты. Результаты, проведённых исследований, представлены табл. 3-5. В этих таблицах приведены средние значения температуры и биооптических параметров (см. раздел «Материалы») и их среднеквадратичные отклонения для двух слоёв озера: (1) в эвфотическом слое и (2) от нижней границы эвфотического слоя до максимальной глубины измерения. Последняя менялась зависимости от рельефа дна (см. табл. 2).
Таблица 2. Статистические характеристики рельефа для четырёх съемок в зал. Камга
|
Район (дата) |
Средняя глубина ± СКO, м |
Минимальная глубина, м |
Максимальная глубина, м |
Количество профилей |
|
Лёд (19 марта) |
29.4 ± 4.4 |
4.5 |
40.5 |
8 |
|
Лёд (21 марта) |
32.1 ± 3.2 |
4.5 |
40.5 |
12 |
|
Кромка льда (18 марта) |
28.7 ± 4.6 |
14 |
36.5 |
5 |
|
Открытая вода (18 марта) |
85.9 ± 20.6 |
18 |
182 |
10 |
Таблица 3. Статистические характеристики температуры и биооптических параметров в эвфотическом слое и ниже его для двух съёмок подо льдом
(съёмка 1–19 марта/съёмка 2–21 марта)
|
Параметр |
Т, oC |
Turb, ftu |
f-Chla, у.е. |
f-DOM, у.е. |
|
Верхний слой* |
0.91±0.09/0.93±0.07 |
1.20±0.17/0.90±0.15 |
157±52/143±55 |
457±15/498±16 |
|
Нижний слой |
1.34±0.29/1.32±0.25 |
1.13±0.15/0.84±0.13 |
58±44/90±51 |
454±7/483±13 |
*Zeu = 15.7 ± 0.1 м / 15.0 ± 0.1 м
Таблица 4. Статистические характеристики температуры и биооптических параметров в эвфотическом слое и ниже его в районе кромки льда
|
Параметр |
Т, oC |
Turb, ftu |
f-Chla, у.е. |
f-DOM, у.е. |
|
Верхний слой* |
0.97±0.08 |
0.97±0.06 |
64±18 |
463±8 |
|
Нижний слой |
1.31±0.21 |
0.92±0.03 |
33±15 |
450±5 |
* Zeu = 15.0 ± 0.5 м
Таблица 5. Статистические характеристики температуры и биооптических параметров в эвфотическом слое и ниже его в условиях открытой воды
|
Параметр |
Т, oC |
Turb, ftu |
f-Chla, у.е. |
f-DOM, у.е. |
|
Верхний слой* |
1.07±0.09 |
0.88±0.10 |
72±33 |
467±21 |
|
Нижний слой |
1.66±0.40 |
0.73±0.12 |
26±28 |
445±8 |
*
= 15.8 ± 0.4 м
Толщина эвфотического слоя для всех трех районов приблизительно одинакова с точностью до 1 м и составляет ~15 м (см. примечания к табл. 3-4).
Температура (T). Верхний слой холоднее нижнего для всех трёх районов, что и следовало ожидать в этот период времени, когда озеро отдаёт тепло в атмосферу. Разница между нижним и верхним слоем растёт от западного района к восточному от 0.4оС до 0.5оС, что является следствием рельефа дна, т. е. роста глубины в этом направлении. Причём это происходит при росте средней температуры с востока на запад в верхнем слое на 0.15оС, т. е. подо льдом температура воды ниже, чем для открытой воды, что вероятнее всего связано с ветровым перемешиванием.
Сигнал флуоресценции органического вещества (f-DOM) для всех трех районов в двух слоях практически однороден. Для съемок 18 и 19 марта небольшое увеличение разницы между верхним и нижним слоями (~5%) наблюдается с востока на запад. Этот факт говорит о том, что речной сток в эти дни в восточной части залива, скорее всего был минимален и связан в основном талыми водами, которые бедны органическими соединениями. Но уже 21 марта в восточной части наблюдается повышенный сигнал f-DOM (~10%) в обоих слоях, что может быть признаком поступления воды, содержащейся в почве или прошедшей через неё.
Сигнал флуоресценции хлорофилла–а (f-Chla) для подлёдных измерений в верхнем слое в 2.5 раза превышает аналогичную характеристику в прикромочной и отрытой частях залива, что говорит о более благоприятных условиях развития фитопланктона подо льдом в рассматриваемый период времени. В нижнем слое в двух западных районах, как и следовало ожидать значения минимальные, говорящие о практическом отсутствии фитопланктона. В тоже время в восточном районе подо льдом значения достаточно высокие, особенно для второй съёмки (~75% от значения в верхнем слое, см. табл. 3). Последнее обстоятельство указывает на влияние речного стока.
Характер направления роста величины показателя ослабления света на длине волны 660 нм (Turb) в обоих слоях чётко указывает на источник взвеси с запада на восток, что очень хорошо коррелирует с сигналом f-Chla.
Выводы. Получены статистические оценки температуры и биооптических характеристик зал. Камга Телецкого озера в марте 2024 года выше и ниже эвфотического слоя для трёх типов станций со льда, у кромки льда и на открытой воде. Обнаружен высокий сигнал флуоресценции хлорофилла–а для станций, выполненных со льда, по сравнению с открытой водой в эвфотическом слое озера, что указывает на более благоприятные условия развития фитопланктона подо льдом в рассматриваемый период времени.
Благодарности. Работа выполнена в рамках государственных заданий ФГБУН ФИЦ МГИ FNNN-2024-012 и ФГБУН ИВЭП СО РАН № 0306-2021-0001 и договоров с администрацией ФГБУ «Алтайский государственный заповедник». В экспедиционных работах использовалось научное оборудование ЦКП «Научно-исследовательские суда ИВЭП СО РАН».
1. Селегей В.В., Селегей Т.С. Телецкое озеро. Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 143 с.
2. Комплекс гидробиофизический мультипараметрический погружной автономный «КОНДОР» [Электронный ресурс]. URL: https://ecodevice.com.ru/ecodevice-catalogue/multiturbidimeter-kondor (дата обращения 21.01.2025).
3. Ronald J., Zaneveld, V., Spinrad, R.W., and Bartz, R. Optical properties of turbidity standards, Proc. SPIE 0208, Ocean Optics VI, (26 March 1980); https://doi.org/10.1117/12.958272.
