Библиотечный каталог авторефератов Украины

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

МОРСЬКИЙ ГІДРОФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ

Лі Михайло Єн Гон

УДК 551.46. 5

ЗАСОБИ ПІДСУПУТНИКОВОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КОСМІЧНИХ

СКАНЕРІВ КОЛЬОРУ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ БІООПТИЧНИХ

ВЛАСТИВОСТЕЙ МОРСЬКИХ ВОД

04.00.22 - геофізика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Севастополь - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Морському гідрофізичному інституті Національної академії наук України.

Офіційні опоненти:

член-кореспондент НАН України, доктор фізико-мате-матичних наук, Федоровський О.Д., Центр аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАН України, завідувач відділом

доктор фізико-математичних наук, професор                Доценко С.В., Севастопольський державний технічний університет, завідувач кафедри інформаційних систем

доктор біологічних наук, професор Фіненко З.З., Інститут біології південних морів НАН України, завідувач відділом екологічної фізіології водоростей

Провідна установа:        Одеський гідрометеорологічний інститут

Міністерства Освіти і науки України

Захист відбудеться        “_8__”___листопада___________ 2001 р. о__13__годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 50.158.02 Морського гідрофі-зичного інституту Національної академії наук України за адресою:

вул. Капітанська, буд.2, м. Севастополь 99011, Крим, Україна.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Морського гідрофі-зичного інституту Національної академії наук України за адресою:

вул. Капітанська, буд.2, м. Севастополь 99011, Крим, Україна.

Автореферат розісланий        “_27_”____вересня________ 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор фіз.- мат. наук                                                О.М. Суворов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Однією з найбільш актуальних і важливих проблем, яку необхідно вирішувати більшості приморських країн, є проблема охорони навколишнього середовища і створення ефективних засобів спостереження за екологічним станом водних басейнів. Для України, значна частина території якої омивається водами Чорного моря, ця проблема значно ускладнюється тим, що Чорне море є напівзакритим басейном і по суті відірваним від Світового океану цілою системою численних морів і вузьких проток. Необхідно враховувати і ту обставину, що стоки найбільших рік, які протікають по території багатьох країн східної Європи, виносять велику кількість техногенних і сільськогосподарських забруднень в шельфову зону України в північно-західній частині Чорного моря. Ці забруднення можуть бути причиною локальних заморів, які можуть стати каталізаторами більш масштабних негативних процесів.

Організація систематичного спостереження за процесами подібних змін в морських екосистемах може бути здійснена шляхом залучення супутникової інформації про спектральні характеристики поверхневих вод, з космічних сканерів кольору морської води нової ґенерації. Зрослий інтерес до досліджень характеристик кольору моря з космосу, в останній час, викликаний також можливістю виходу на показники біологічної продуктивності, а через них - на визначення і розуміння процесів, пов'язаних з потоками вуглецю і інших біогенних елементів в морі в глобальному масштабі. Одночасне і всебічне вивчення закономірностей розповсюдження світла в товщі морських вод і поглинання його фітопланктоном на значних акваторіях є вирішальним для вивчення вуглецевого циклу, оскільки сонячна енергія в першу чергу визначає процеси фотосинтезу для первинного перетворення вуглецю в морі.

Якість інтерпретації космічної інформації можна істотно покращити, якщо дані супутникових сканерів кольору періодично порівнювати з результатами безпосередніх біооптичних спостережень спектру висхідного випромінювання з рівня поверхні моря. Сучасні вимоги до якості контрольно-калібровочної інформації виявили насущну необхідність вироблення цілком нових підходів до підсупутникового забезпечення, починаючи з розробки засобів підвищення точності польових вимірів і закінчуючи пошуками шляхів погодження експериментальних даних з новітніми теоретичними уявленнями щодо розповсюдження випромінювання в реальному водному середовищі. Тема дисертації присвячена вирішенню актуальних питань вдосконалення засобів підсупутникового забезпечення при дистанційному визначенні концентрацій оптично-активних домішок у воді по кольору моря з космосу. В роботі представлені основні досягнення автора в виробленні нової концепції підсупутникового забезпечення, в розробці принципово нових засобів і апаратури для гідрооптичних вимірювань та в створенні ефективних аналітичних засобів вирішення зворотних задач визначення біооптичних властивостей природних вод.

Актуальність теми. Драматичні зміни в екосистемі Чорного моря, які вперше були зареєстровані по зміні кольору поверхневих вод, а пізніше більш детально досліджувалися біологами, наочно продемонстрували реальну небезпеку негативних наслідків від забруднення цього басейну. Висока чутливість сучасних спектрофотометрів дозволила помітити тенденції, які намітилися в погіршенні екологічної ситуації в Чорному морі, по помутнінню вод, викликаному цими процесами. По результатах цілеспрямованих експедиційних та теоретичних досліджень в дисертаційній роботі показано, що екологічні проблеми водних басейнів можна досліджувати, використовуючи принципово нові оптичні засоби діагностики стану водоймищ. Ці засоби засновані на використанні спектральних відмінностей поглинання, розсіювання і флуоресценції світла такими оптично активними домішками водного середовища, як фітопланктон, мінеральна виважена та розчинена органічна речовина. Виявлені достатньо тісні взаємозв'язки між оптичними і біологічними характеристиками морських вод стали основою для обгрунтування перспективності застосування космічних засобів спостереження за станом природних водоймищ.

В останні декілька десятиріч багатьма провідними океанографічними центрами в нашій країні і за кордоном проводилися інтенсивні дослідження оптичних властивостей вод і світлового поля під водою. Гідрооптичні виміри виконувалися в багатьох експедиціях науково-дослідних суден різних країн і охоплювали великі простори акваторії Світового океану і внутрішніх морів. Ці дослідження були, зокрема, спрямовані на вивчення зв'язку кольору океану з первинною продукцією та умов, при яких відбувається процес фотосинтезу. Ретельно досліджувалися спектральні особливості поглинання і розсіювання світла чистою морською водою [Smith R.C., Barker K.S., 1981; Buiteveld H., Hakvoort J.H., Donze M., 1994; Pope R.M., Fry E.S., 1997] і основними її домішками [Bricaud A., Morel A., Prieur L., 1981; Gordon H.R., D.K. Clark, Brown J.W., Brown O.B., Evans R.H., Broenkov W.W., 1983]. На основі теоретичних досліджень і аналізу результатів натурних вимірів були встановлені взаємозв'язки між первинними характеристиками водного середовища з основними параметрами світлового поля під водою [Gordon H.R., Austin R.W., Clark D.K., Hovis W.A., Yentsch C.S., 1985], що стало обгрунтуванням перспективності оптичних засобів спостереження за станом морських вод.

В нинішній час інтерес до оптичних засобів дослідження природних вод значно зріс завдяки інтенсивному розвитку космічних засобів визначення біологічної продуктивності вод по кольору океану. Викликано це тим, що при вдосконаленні супутникових технологій отримання та інтерпретації відеозображень кольору морів та інших водоймищ, з'явилася можливість створити на їхній основі ефективні і безперервно діючі системи діагнозу і контролю значних просторів акваторій морських екосистем. Це дасть можливість продовжити глобальні і регіональні дослідження морської біосфери, мінливості та динаміки екосистем, біохімічних циклів, а також ролі біосфери океану в глобальному вуглецевому циклі. Вперше такі дослідження успішно були проведені з допомогою багатоканального спектрометра МКС, встановленого на супутникові Інтеркосмос-21 і американського сканеру CZCS на супутникові Nimbus 7 [Говер Дж.Ф.Р., Апель Дж.Р., 1987; Суетин В.С., Суслин В.В., 1985]. Успішна багаторічна експлуатація цих супутників сприяла інтенсифікації досліджень в цьому напрямку і стимулювала подальше вдосконалення сканерів кольору. В 1997 році на орбіту були запущені новий американський супутник SeaStar з унікальним по своїх характеристиках сканером кольору нової ґенерації SeaWiFS та індійський супутник IRS-P3 з приладом MOS на борту.

Запуском цих супутників покладено початок проведенню довгострокової програми глобальних спостережень кольору океану, з метою створення мережі спостережень за станом морської біосфери та її ролі в глобальному вуглецевому циклі. Ця складна задача може бути вирішена лише на основі використання новітньої супутникової інформації більш високого рівня. Враховуючи те значення, яке має Чорне море для народного господарства України, результати підсупутникових досліджень свідчать про їхню безсумнівну актуальність, корисність та нагальну необхідність подальшого розвитку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності з планами основних наукових досліджень Морського гідрофізичного інституту Національної академії наук України в рамках наступних науково-дослідних проектів та тем:

· Проект “Супутникова океанологія” програми фундаментальних досліджень Національної Академії наук України, ДP 0196U015535, відповідальний виконавець;

· Проект “Динаміка екосистем”, програми фундаментальних досліджень Національної Академії наук України, ДP 0194U044413, відповідальний виконавець;

· Проект “Морське приладобудування” Національної програми досліджень та використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, інших районів Світового океану на термін до 2000 року, Міннауки України (нині Міносвіти та науки України),             ДP 0198U000637, відповідальний виконавець;

· Проект “Спостереження”, Національної програми досліджень та використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, інших районів Світового океану на термін до 2000 року, Міннауки України (нині Міносвіти та науки України), ДP 0194U038247, виконавець;

· Тема “Зондування”, Національної космічної програми Національного космічного агентства України, ДP 0194U040249, відповідальний виконавець;

· Міжнародний проект Німецького федерального Міністерства досліджень і технологій, №525-4003-03F0107A, науковий керівник;

· Міжнародний проект Сполучених Штатів Америки (Civilian Research & Development Foundation) CRDF № UG1-299, науковий керівник;

· Міжнародний проект Національного аерокосмічного агентства США

   “NASA NRA-92-OSSA-7”, керівник групи;

· Міжнародний проект Національного аерокосмічного агентства США

   “NASA SIMBIOS”, керівник групи;

· Міжнародний партнерський проект Канадської фірми "Satlantic", МГІ НАНУ і Науково-технологічного центру України № Р-012, відповідальний виконавець.

Мета і задачі дослідження. Представлена дисертаційна робота присвячена дослідженню проблем підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації для створення систем спостереження за станом водних екосистем та розробці нових засобів і апаратури з метою підвищення точності біооптичної інтерпретації результатів космічних зйомок кольору поверхневих вод. Задача вирішена для найбільш складного випадку - каламутних прибережних вод, в тому числі таких, як води Чорного моря та прилеглих акваторій.

Для досягнення цієї мети були поставлені і вирішені наступні задачі:

1.        Сформулювати та обгрунтувати необхідність використання в якості параметрів підсупутникового забезпечення не абсолютні спектральні значення світлових випромінювань в системі море-атмосфера, а величини висхідних випромінювань, нормованих по падаючому випромінюванню на рівні поверхні моря або заданому рівню атмосфери над ним. Показати, що нормовані параметри значно стійкіші щодо впливу випадкових перешкод при зміні умов освітлення та хвилювання моря, тому можуть служити стабільним індикатором біооптичних властивостей поверхневих вод.

2.        Дослідити нові можливості та переваги залучення додаткової короткохвильової дільниці спектру при врахуванні впливу атмосфери на дистанційний сигнал, а також при відновленні біооптичних властивостей морських вод за даними про розширений спектр коефіцієнту яскравості моря. Показати, що в короткохвильовій області через переважний вплив атмосферної пелени, контрасти на морській поверхні вагомо зменшуються, але завдяки саме цій обставині можна розподілити вклад атмосфери і моря в висхідному випромінюванні та отримати кількісну оцінку коефіцієнта яскравості моря.

3.        На базі застосування диференційного засобу вимірів світлових потоків розробити нову гідрооптичну апаратуру для вимірювань характеристик світлового поля під водою з точністю, достатньою для підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації.

4.        Розробити засіб вимірювань індикатриси розсіювання морських вод в широкому діапазоні кутів розсіювання, що охоплює весь діапазон кутів від десятих часток градуса в напрямку розповсюдження паралельного пучка світлового випромінювання до кутів близьких до 1800 в зворотному напрямку.

5.        Створити просту двохпараметричну оптичну модель атмосфери над морем. Проаналізувати і узагальнити дані багатолітніх прибережних та суднових вимірювань сонячним фотометром спектральної прозорості атмосфери над Чорним та Середземним морями. Провести детальний статистичний аналіз спектральної оптичної товщини атмосфери і виявити її денну, сезонну та міжрічну мінливість.

6.        З використанням двохпараметричної оптичної моделі атмосфери, провести чисельне моделювання атмосферної пелени для різноманітних залежностей перетину розсіювання на аерозольних частинках від довжини хвилі і на чисельних прикладах показати ефективність залучення короткохвильової дільниці спектру з метою атмосферної корекції.

7.        Розробити аналітичні засоби рішення зворотних задач біооптики моря. Показати, що спектр коефіцієнта яскравості моря є найбільш зручним параметром для відновлення по ньому біооптичних властивостей поверхневих вод, оскільки висока точність вимірів цієї характеристики забезпечує стійкість рішення зворотної задачі, як для випадку чистих вод відкритих акваторій моря, так і для каламутних прибережних вод;

8.        Показати, що прозорі води в деяких акваторіях, можна прийняти в якості аналогу теоретично чистої води, з тим, щоб по них узгодити теоретичні розрахунки з реально зміряними характеристиками висхідного випромінювання, а після цього відносно цих природних вод відновлювати концентрації домішок в інших акваторіях.

9.        Показати, що аналітичний підхід має більшу інформативність, оскільки дозволяє відновлювати не тільки концентрацію пігментів, але й спектральні характеристики поглинання фітопланктону та розчиненої органічної речовини, а також величину зворотного розсіювання зважених частинок для зеленої області спектру.

Засоби дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі використовувались наступні засоби досліджень:

· Обробка і аналіз значного масиву первинної біооптичної інформації, отриманої в результаті проведення серії океанографічних підсупутникових експериментів з науково-дослідних суден, океанографічної платформи та літака-лабораторії в межах акваторії Чорного і Середземного морів, а також в Атлантичному океані;

· Побудова простих аналітичних математичних моделей аерозолю в атмосфері, які дозволяють описувати трансформацію спектральних властивостей сонячного випромінювання, що проникає в атмосферу та порівнювати їх з результатами детального статистичного аналізу даних багатолітніх спостережень за оптичними властивостями атмосфери над Чорним морем;

· Чисельне моделювання процесів розповсюдження світлового випромінювання в системі море-атмосфера в широкому спектральному діапазоні, що включає також і ближню ультрафіолетову ділянку.

· Використання різницевого засобу спектральної компенсації для підвищення контрастів поверхневих неоднорідностей, які спостерігаються шляхом виключення відблискової складової в висхідному випромінюванні моря.

· Проведення порівняльного аналізу теоретичних і натурних даних дистанційного зондування і формулювання на цій базі переваг нової концепції підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації.

Наукова новизна отриманих результатів. Автором дисертації вперше були отримані наступні результати:

· Сформульована нова концепція проведення підсупутникових океанологічних досліджень для забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації контрольно-калібровочними даними. Головна відзнака запропонованої автором концепції, полягає в тому, що в якості основних підсупутникових параметрів використовуються не абсолютні величини спектральних яскравостей, а коефіцієнти яскравості, які являють собою значення спектральних яскравостей, нормованих на величину падаючого випромінювання. Це дозволило позбутися надто складних проблем абсолютного калібрування польових спектрофотометрів і звести до мінімуму методичні погрішності від впливу зовнішніх умов освітлення і стану покритої хвилями поверхні моря;

· Запропоновано розширити спектральну область оптичних вимірів для цілей підсупутникового забезпечення аж до ближньої ультрафіолетової дільниці спектру, де через сильне розсіювання в атмосфері випромінюванням від моря можна, в першому наближенні, зневажати. При цьому з'являється можливість визначати характеристики розсіювання в атмосфері в короткохвильовій і довгохвильовій областях видимого діапазону, а необхідні для атмосферної корекції параметри знаходити більш точно інтерполяцією, замість екстраполяції, яка звичайно застосовується в нинішній час;

· В рамках теорії подвійної взаємодії випромінювання з системою море-атмосфера вирішена задача дистанційного визначення коефіцієнта яскравості моря. На основі спрощеного уявлення залежності перетину розсіювання на аерозольних частинках від довжини хвилі, проведено чисельне моделювання алгоритму атмосферної корекції для різноманітних станів атмосферного аерозолю і на чисельних прикладах доведена ефективність залучення короткохвильової дільниці спектру;

· Розроблено засіб безпосереднього виключення відблискової складової у висхідному випромінюванні, що дозволяє виконувати цю процедуру незалежно від умов освітлення і стану поверхні моря. При цьому використовується та обставина, що випромінювання, яке виходить з товщі моря, зазнає значної зміни спектрального складу, в той час, як спектр відбитого від поверхні води випромінювання залишається практично незмінним. Засіб успішно застосовувався при проведенні підсупутникових експериментів на Чорному морі з літака-лабораторії і при обробці відеозображень кольору чорноморських вод зі сканерів видимого діапазону;

· На базі нової концепції розроблена методика апаратурного забезпечення підсупутникових досліджень, основна ідея якої полягає в тому, щоб здійснити перехід від традиційних вимірів абсолютних значень світлових потоків , що розповсюджуються, до їхнього порівняння в диференціальному фотометрі. Перевага нормованих величин, передусім в тому, що вони значно менш вразливі до зовнішніх умов освітлення і залежать, в основному, від оптичних властивостей поглинання та розсіювання в середовищі і, на кінець, є необхідними параметрами біооптичних алгоритмів. Розроблений підсупутниковий комплекс гідрооптичних приладів, по своїх можливостях відповідає відомим аналогам в світі, а по багатьох параметрах значно переважає їх;

· Запропонований принципово новий тіньовий засіб виміру індикатрис розсіювання морської води дозволяє більш ніж на п'ять порядків зменшити величину заважаю-чого відблиску від прямого випромінювання. Розроблена оптична схема з застосуванням спеціальної перископічної призми дозволила забезпечити виміри індикатриси розсіювання в дуже широкому діапазоні кутів від 0,50  до 177,60. По даних польових вимірювань були отримані цілком нові результати, які докорінно змінили існуючу уяву про автомодельність індикатрис розсіювання морських вод і дозволили значно покращити якість відновлення розмірного складу і природи частинок, що зважені у воді, на базі більш точного рішення зворотних задач;

· Проведений вперше детальний аналіз оптичного стану атмосфери над Чорним морем показав, що спектральна залежність аерозольної оптичної товщини атмосфери добре описується законом Ангстрема і задовільно описується однопараметричною моделлю. Переважний вклад в спектральну мінливість вносить зміна загальної маси аерозолю без змін його якісного складу. Міжрічна мінливість несуттєва, незважаючи на сильну сезонну мінливість з максимумом в літні місяці. Отримані дані про властивості атмосфери над Чорним морем мають велике значення для обгрунтованого вибору засобу корекції впливу атмосфери;

· Для погодження теоретичних розрахунків з реально виміряними характеристиками висхідного випромінювання вперше запропоновано прийняти найбільш прозорі води центральної частини Саргасового моря в якості аналогу теоретично чистої води, щоб відносно цих природних вод відновлювати концентрації домішок в відкритих акваторіях моря;

· Розроблено аналітичні засоби рішення зворотних задач біооптики моря, які дозволяють по спектру коефіцієнта яскравості моря відновлювати спектральні характеристики поглинання і розсіювання світла морських вод, а також концентрацію основних біологічних складових морської суспензії, таких як пігменти фітопланктону та розчинена органічна речовина. Задача вирішена для природних вод багатьох акваторій океану, включаючи й найбільш складний випадок каламутних прибережних вод типу-2;

Вдосконалені та отримали подальший розвиток:

· Показано, що серед інших гідрооптичних характеристик коефіцієнт яскравості моря займає особливе місце в дистанційному зондуванні, оскільки є одним з небагатьох параметрів, який може безпосередньо вимірюватися з аерокосмічних носіїв. При цьому він достатньо стійкий до впливу випадкових перешкод при зміні гідрометеорологічних умов і, тому може служити стабільним індикатором біооптичних властивостей поверхневих вод. В силу цих причин пропонується використовувати коефіцієнт яскравості моря в якості одного з головних параметрів, виміри якого повинні бути обов'язковими при проведенні підсупутникових експериментів;

· Шляхом порівняння вимірів спектральної прозорості атмосфери над Чорним і Середземним морями показано, що оптичні властивості атмосфери над Середземним морем наближаються по своїх характеристиках до океанських. У порівнянні з атмосферою над Чорним морем там спостерігається більш висока прозорість атмосфери з більш рівномірним спектром аерозольної оптичної товщини.

· На великому статистичному матеріалі виявлений кореляційний зв'язок між вмістом хлорофілу в верхньому шарі моря та індексом кольору. Результати статистичного аналізу взаємозв'язків індексу кольору з іншими гідрооптичними характеристиками і концентрацією зважених і розчинених в морській воді речовин показує, що в більшості випадків, ці взаємозв'язки є тісними і значущими.

Обгрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій. Дисертація являє собою комплексне експериментальне і теоретичне дослідження методичних основ підсупутникового забезпечення космічних визначень кольору водоймищ, в якому в закінченому вигляді представлена нова концепція і методика проведення підсупутникових океанологічних експериментів. Обгрунтованість наукових положень, вірогідність висновків і результатів базується на великому обсязі фактичних матеріалів, отриманих в серії спеціалізованих підсупутникових експериментів в морі.

Найбільш узагальнюючим показником, який в цілому характеризує вірогідність водночас всіх розділів дисертаційної роботи, є якість відновлення біооптичних параметрів при рішенні зворотної задачі оптики моря, оскільки кінцевий результат залежить як від якості вимірювальних приладів, досягнутої точності польових вимірів, засобів мінімізації методичних погрішностей, так і від вдосконаленності і коректності самого аналітичного засобу рішення. Достатня відповідність відновлених концентрацій пігментів фітопланктону і розчинених органічних речовин їхньому реальному вмісту по результатах безпосередніх біологічних визначень підтверджує обгрунтованість та вірогідність наукових положень і висновків роботи. В цілому, отримані аналітичні рішення зворотних задач не суперечать даним попередніх досліджень по простих емпіричних алгоритмах, але мають значно більшу інформативність і дозволяють відновлювати не тільки концентрації зважених і розчинених речовин, але й їхні спектральні властивості розсіювання та поглинання світла.

Нова концепція підсупутникового забезпечення, розроблені засоби і апаратура неодноразово атестувалися за участю ведучих зарубіжних фахівців в лабораторіях Дальхаузського університету в Канаді, в Скрипсівському океанографічному інституті і Рутгерському університеті в США, а також в міжнародній експедиції на науково-дослідному судні "Bilim" Інституту морських наук Близькосхідного університету Турції.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані в дисертаційній роботі результати досліджень дозволили сформулювати актуальність та необхідність залучення супутникової інформації для спостереження за станом морських екосистем в Чорному морі і в прилеглих акваторіях. Розроблені в відповідності з новою концепцією засоби і апаратура дали можливість проводити цілеспрямовані дослідження біооптичних властивостей вод в Чорному морі, використовуючи його акваторію як один з регіональних опорних пунктів підсупутникового забезпечення програми SeaWiFS. Отримана з допомогою цієї апаратури підсупутникова інформація успішно використовувалася для аналізу та інтерпретації зйомок кольору поверхневих вод, ученими МГІ НАН України, Інституту океанології РАН, Скрипсівського океанографічного інституту і Орегонського університету США і Дальхаузського університету в Канаді. Результати досліджень автора включені в національні і міжнародні звіти різноманітних проектів, а також використані в міжнародному обміні даними.

Принципово новий вимірювач індикатриси розсіювання морських вод використовувався при проведенні міжнародного біооптичного експерименту в шельфових водах Атлантики в США. Унікальні можливості нового методу дозволили вперше показати, що форма морських індикатрис не може описуватися однопараметричною моделлю. Отримані результати значно розширяють і доповнюють існуючі відомості про розсіюючі властивості морських вод і дадуть можливість розробити більш досконалі засоби рішення зворотних задач по відновленню розподілу розмірів частинок в суспензії.

Розроблені нові засоби і апаратура були використані також при проведенні серії міжнародних підсупутникових експериментів "Чорне море - Інтеркосмос", в яких виміри характеристик кольору вод Чорного моря були виконані водночас з науково-дослідного судна, з літака-лабораторії і з космосу. По розробленій автором програмі досліджень проведений широкомасштабний підсупутниковий експеримент "Атлантика-89", в якому були виконані комплексні спостереження на великій акваторії Атлантичного океану, що охоплює широкий діапазон змін властивостей водних мас і атмосфери. В результаті проведених досліджень отримано величезний обсяг інформації про різноманітні властивості моря і атмосфери, націлений на розробку нових засобів по поліпшенню інтерпретації космічної інформації про колір поверхневих вод.

Створені у відповідності з новою концепцією засоби та апаратура для підсупутникового забезпечення можуть бути використані океанографічними організаціями України при аналізі та інтерпретації глобальних зйомок кольору поверхневих вод Чорного моря та інших водоймищ. Результати роботи можуть також використовуватися гідрографічними, гідрометеорологічними і геологорозвідувальними службами України для виконання робіт в шельфових зонах Світового океану при оцінці продуктивності вод по даних космічних зйомок кольору поверхневих вод.

Особистий вклад здобувача. Представлена дисертаційна робота є результатом узагальнення багаторічних гідрооптичних досліджень, виконаних автором особисто або в співавторстві з працівниками очолюваного ним наукового колективу. Особиста участь автора полягає, передусім, в постановці задач та виробленню основних ідей по підсупутниковому забезпеченню сучасних космічних сканерів кольору, в визначенні і виборі оптимальних напрямків досліджень. Автору належать також нові ідеї по вдосконаленню засобів і апаратури для підсупутникових гідрооптичних досліджень. По ініціативі автора та під його безпосереднім науковим керівництвом була проведена велика кількість підсупутникових експериментів в Чорному морі, Атлантичному океані та в інших водоймищах, результати яких покладені в основу цієї роботи.

В більшій частині статей, в яких викладаються результати досліджень по темі дисертації, деякі співробітники відділу оптики і біофізики моря є співавторами зробленої роботи, але безпосередньо в дисертації використовуються лише ті розділи, де автору належать основні ідеї як в постановці задач, так і в інтерпретації отриманих результатів. Автор висловлює щиру вдячність всім співробітникам, багатолітнє ділове і плідне співробітництво з якими, створило сприятливі умови для виконання цієї роботи.

Апробація результатів дисертації Результати роботи були викладені і обговорені на багатьох міжнародних наукових конференціях, симпозіумах та робочих семінарах. Матеріали дисертації доповідалися на Всесоюзному семінарі "Фотометрія і її метрологічне забезпечення" в 1984г. (м. Москва, Росія), на Дев'ятому Всесоюзному пленумі робочої групи по оптиці океану "Оптика моря і атмосфери" в 1984г. (м. Ленінград, Росія), на Третьому з'їзді океанологів в 1987г. (м. Ленінград, Росія), на Десятому Всесоюзному пленумі робочої групи по оптиці океану "Оптика моря і атмосфери" в 1988г. (м. Ростов на Дону, Росія), на семінарі міжнародної Робочої групи "Наука про Землю", присвяченому проблемам дистанційного зондування океану в 1989г. (м. Бостон, США), на Першому Всесоюзному семінарі "Оптичні засоби дослідження потоків" в 1989г. (м. Новосибірськ, Росія), на Одинадцятому Всесоюзному пленумі робочої групи по оптиці океану "Оптика моря і атмосфери" в 1990г. (м. Красноярськ, Росія), на Третьому Всесоюзному семінарі "Системи екологічного контролю вод" в 1991г. (м. Севастополь. Україна), на Міжнародній конференції "Проблеми Чорного моря" в 1992г. (м. Севастополь, Україна), на Міжнародному науково-технічному семінарі "Морське і екологічне приладобудування" в 1995г. (м. Севастополь, Україна), на Другій міжнародній конференції по авіаційному дистанційному зондуванню в 1996г. (м. Сан Франциско, США), на Дванадцятій міжнародній конференції і робочому семінарі по прикладній геології в дистанційному зондуванні в 1997г. (м. Денвер, США), на Четвертій міжнародній конференції "Дистанційне зондування морського і прибережного навколишнього середовища" в 1997г. (м. Орландо, США), на міжнародному симпозіумі "Екологічна безпека прибережних і шельфових зон і комплексне використання ресурсів шельфу" в 2000г. (м. Севастополь, Україна), на Шостій міжнародній конференції "Дистанційне зондування морського і прибережного навколишнього середовища" в 2000г. (м. Анн Арбор, США).

Публікації. В дисертацію увійшло 36 публікацій: статті в періодичних наукових журналах - 10, статті в збірках наукових праць - 13, авторські свідоцтва на винаходи - 3, тези в працях конференцій - 10.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти глав, висновків і списку використаних джерел. Вона містить 283 сторінки, 77 малюнки і 10 таблиць. Ілюстрації введені в текст. Список джерел, що використовуються, включає 232 найменування на 25 сторінках.

ОСНОВНИЙ  ЗМІСТ

У вступі обговорюється актуальність і сучасний стан досліджень по підсупутниковому забезпеченню космічних сканерів кольору нової ґенерації та перспективи застосування цих засобів для створення систем діагностики стану водних екосистем. Формулюються мета і задачі дисертації, показано зв'язок роботи з науковими програмами і планами МГІ НАНУ, з іншими відомствами України та міжнародними організаціями. Викладені нові підходи до досліджень, відзначена наукова новизна отриманих результатів, обгрунтованність та вірогідність положень і висновків, описано наукове і практичне значення роботи, її апробація.

Перша глава присвячена формулюванню методичних основ нової концепції підсупутникового забезпечення космічних визначень характеристик кольору поверхневих вод для відновлення по них концентрацій пігментів фітопланктону і розчиненої органічної речовини в морській воді. Відзначено, що на початковому етапі розвитку супутникових засобів проблема отримання опорних контрольно-калібровочних даних по всьому Світовому океану вирішувалася шляхом аналізу та узагальнення наявних архівних матеріалів численних суднових експедиційних спостережень. Для порівняння використовувались добре відомі карти глобального розподілу таких біооптичних параметрів, як, наприклад, глибини видимості білого диску [В.І. Войтов], індексу кольору [Г.Г. Неуймин і ін.], первинної продукції [О.І. Кобленц-Мишке і ін.]. В доповнення до цього, проводилися також спеціалізовані підсупутникові експерименти з притягненням науково-дослідних суден, океанографічних платформ та літаків-лабораторій. [Gordon H.R. at all.]. При цьому, як правило, використовувались традиційні оптичні засоби і прилади, що застосовувались в звичайних океанологічних експедиціях. Ці дослідження дозволили в цілому виявити можливості супутникових засобів вивчення глобальних біооптичних явищ в морях і океанах, а також сформулювати вимоги, як до супутникової апаратури, так і до оптичних приладів підсупутникового забезпечення.

В параграфі 1.1 формулюється нова концепція методики проведення підсупутникових океанологічних досліджень для забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації контрольно-калібровочними даними. Головна ознака нової концепції, полягає в тому, що в якості основних контрольно-калібровочних параметрів світлового поля в морі запропоновано використовувати не абсолютні значення спектрального випромінювання, яке розповсюджується в середовищі, а похідні від них величини, нормовані на величину випромінювання, яке падає. До таких характеристик світлового поля під водою віднесені показники вертикального ослаблення опромінення KE (z,l) і яскравості KL (z,l), коефіцієнт яскравості моря RL (z,l) та відносний кутовий розподіл яскравості під водою L (z,q,j), а також індекс кольору моря Ic. Вибір саме цих параметрів пояснюється тим, що частина з них є в вихідних даних більшості супутникової апаратури, а інша може легко з них розраховуватися.

Товщина шару, в якому формується висхідне випромінювання моря, може досягати багатьох десятків метрів, але інтенсивність його відносно невелика і складає лише малу частку від сумарного випромінювання всієї системи море-атмосфера. Принципово задача може бути вирішена за умови, якщо з сумарного випромінювання всієї системи море-атмосфера виділити складову атмосферної пелени в тих спектральних дільницях, де випромінюванням, що виходить з моря, можна знехтувати. Більшість дослідників використовують для цієї мети ближню інфрачервону дільницю спектру, а задачу урахування впливу атмосферної пелени вирішують шляхом екстраполяції характеристик атмосфери по середньостатистичних даних про її стан [В.В. Бадаєв, М.С. Малкевич, 1978; Gordon H.R., 1978].

В параграфі 1.2 запропонований новий підхід, в якому обгрунтовується необхідність розширення спектрального діапазону вимірів висхідного випромінювання до ближньої ультрафіолетової області спектру, де через сильне розсіювання в атмосфері випромінюванням від моря також можна знехтувати. Це особливо важливо для каламутних прибережних вод, де використання короткохвильової області спектру виправдано ще й перехрещеними смугами поглинання фітопланктону і розчиненої органічної речовини, оскільки максимальні відмінності в поглинанні цими речовинами спостерігаються також в ближньому ультрафіолеті. В параграфі 1.3 показано, що залучення додаткової дільниці спектру дасть можливість відновлювати концентрації домішок морської води не тільки по простих емпіричних алгоритмах, але також застосовувати більш надійні аналітичні засоби рішення зворотних задач оптики моря.

В параграфі 1.4 аналізуються фізичні особливості розповсюдження світлового випромінювання в системі море-атмосфера стосовно проблем дистанційного визначення концентрацій оптично активних компонент біологічної суспензії і розчиненої органічної речовини в морі. Розглянуті основні параметри, які визначають світлове поле в морському середовищі і в атмосфері та введені деякі спрощення, що дозволяють математично строго описати дану задачу. Складові висхідного випромінювання представлені в вигляді діаграм розсіювання, при використанні яких були виписані в явному вигляді аналітичні вирази для будь-якої кратності взаємодії світлового випромінювання з морем і атмосферою. Повна яскравість висхідного випромінювання представлена в вигляді

.        (1)

Тут індекси при вказують на відповідні яскравості: - однократно розсіяного в атмосфері випромінювання; - відбитих прямих сонячних променів; - дифузного відбивання від моря випромінювання; - випромінювання, розсіяного в атмосфері та дифузного відбитого від моря; - випромінювання, дифузно розсіяного в морі, а після цього розсіяного в атмосфері та т.д.

Показано, що значна оптична товщина атмосфери не дозволяє використовувати наближення однократного розсіювання для проведення точних розрахунків в короткохвильовій області спектру. В зв'язку з цим оцінка відносного вкладу моря і атмосфери в сумарне висхідне випромінювання проведена з використанням наближення двократного розсіювання теорії переносу. Для кожної із складових діаграм розсіювання отримані в явному вигляді формули шляхом рішення рівняння переносу випромінювання в наближенні плоскопаралельної атмосфери. Після того, як всі складові в висхідному випромінюванні були в явному вигляді визначені, з'явилася можливість величину коефіцієнта яскравості системи море-атмосфера наближено представити наступною залежністю

               (2)

де - коефіцієнт яскравості релеєвської пелени; - коефіцієнт яскравості аерозольної пелени; - оптична товщина релеєвської атмосфери; та - косинуси кутів спостереження і падіння випромінювання; - представляє добуток пропускання молекулярної і аерозольної атмосфер tr та ta; множник введений для урахування неоднорідності оптичних характеристик по висоті.

На основі аналізу розрахунків, виконаних по цих формулах, показано, що на верхній межі атмосфери вклад фону молекулярної пелени в сумарну висхідну яскравість є визначальним. Ця обставина дозволяє в першому наближенні знехтувати яскравістю висхідного випромінювання моря в порівнянні з яскравістю атмосферної пелени на краях видимого діапазону спектру. Виходячи з цього, чисельним моделюванням обгрунтована можливість підвищення контрастів кольорів і розподілу вкладів моря та атмосфери в висхідному випромінюванні при спостереженнях кольору моря з космосу в більш широкому спектральному діапазоні. В цьому випадку інтерполяцію значень з країв в середину видимого діапазону можна виконати по поточному стану атмосфери, що визначається з умови, що варіації спектру коефіцієнта яскравості, зумовлені змінами аерозольної пелени відносно середнього стану атмосфери не залежать від довжини хвилі.

                               (3)

За умови, що на краях видимого діапазону спектру і , отримана наступна оцінка миттєвого стану атмосфери:

                       (4)

Вона дорівнює лінійної комбінації яскравостей в ближній ультрафіолетовій (l1∈ UV) та інфрачервоній частині (lo∈IR) спектру. Величини та по суті відомі функції, що визначаються тільки спектральною залежністю коефіцієнта яскравості середньої атмосфери згідно рівнянню (4). Відкидаючи від коефіцієнта яскравості системи море-атмосфера оцінку поточного стану атмосфери, отримуємо

.                                        (5)

Проведеними чисельними розрахунками показано, що отримана таким чином різниця u(l) значно підвищує поверхневі контрасти просторових неоднорідностей в коефіцієнті яскравості моря. При цьому для проведення інтерполяції використовувалася не загально прийнята функція (Gordon H.R., 1978), яка визначається властивостями аерозольної пелени, а безпосередньо змішаний спектр аерозольної і молекулярної атмосфери. Запропонований ітераційний алгоритм атмосферної корекції, що використовує наступну параметризацію його спектру

     (6)

де та - відповідно коефіцієнти яскравості системи море-атмосфера і релеєвської пелени на довжині хвилі. Невизначений параметр Ангстрема a в принципі може бути отриманий з безпосередніх вимірів спектру аерозольної оптичної товщини атмосфери або оцінений по наявних середньостатистичних даних. По цих значеннях параметру Ангстрема отримана попередня оцінка величини, яка в подальшому послідовно уточнювалася з використанням відомих значень і відмінностей в поведінці параметрів атмосфери і моря в ближній ультрафіолетовій (l1∈ UV) та інфрачервоній частині (lo∈IR) спектру. Після того, як було визначено поточний стан атмосфери по краях видимого діапазону, інтерполяцією відновлювалися характеристики пелени в проміжній області спектру, а після цього остаточно розраховувався коефіцієнт яскравості моря для всієї видимої області спектру.

Відбитий сонячний відблиск може складати інколи значну частку в висхідному випромінюванні, а його варіації можуть перекривати контрасти кольорів в поверхневих шарах моря, що досліджуються. Теоретичний розгляд задачі врахування відблискової складової призводить до суттєво громіздких виразів, які досить складно піддаються аналізу в кожному конкретному випадку. Така постановка задачі вимагає точного знання безлічі граничних умов, які в процесі експерименту сильно змінюються (спектру хвилювання, швидкості вітру, умов освітлення і т.д.) [Cox C., Munk W., 1965; Бялко А.В., 1975]. При традиційному підході, для оцінки вкладу відбитої складової необхідно проводити цілий комплекс експериментів, направлених як на точні виміри яскравості, так і на визначення граничних умов. Запропонований в параграфі 1.5 підхід дозволив безпосередньо виключати відблискову складову незалежно від умов освітлення і стану поверхні океану. При цьому використовується відмінність в трансформації спектру випромінювання при проходженні його через морське середовище і при відбиванні від поверхні моря. Для реалізації засобу достатньо заздалегідь підібрати коефіцієнти до значень вимірюваних спектральних яскравостей висхідного випромінювання в двох оптимально вибраних дільницях видимого діапазону так, щоб зрівняти їх по відблискові складовій, а після цього використати для аналізу величину різниці між ними.

Друга глава присвячена розробці нових принципів вимірів та створенню на їх основі сучасних гідрооптичних комплексів, які відповідають основним положенням сформульованої концепції для проведення підсупутникових біооптичних досліджень. Для цього ретельно досліджувалися можливості мінімізації перешкод від збуреної поверхні моря в залежності від умов погоди і геометрії освітлення. Зв'язано це з тим, що високу точність сучасних спектрофотометрів для вимірів світлових потоків в морі часто було неможливо реалізувати через незрівнянно більші методичні погрішності. З метою зменшення погрішностей від цих природних перешкод на межі розділу середовищ, засоби традиційних світлових вимірів в море були переглянуті і приведені до такого вигляду, щоб можна було здійснити перехід від абсолютних вимірів світлових потоків до їх порівняння в диференціальному фотометрі. При цьому був реалізований комплексний підхід з використанням новітніх досягнень в області створення підводних датчиків світлових вимірів, збору та обробки інформації на основі застосування спеціалізованих мікропроцесорів і комп'ютерів та розробки програмного забезпечення.

Основна відзнака нового підходу, наведеного в параграфі 2.1, полягала в тому, щоб забезпечити високу якість і універсальність вимірів різноманітних нормованих параметрів світлових полів з використанням уніфікованого диференціального фотометра, оптичні входи якого здатні сприймати світло від різноманітних світлоприймальних приладів. В цьому випадку функціональне призначення диференціального фотометра буде визначатися заданою оптичною схемою та конструкцією світлоприймальних приладів. В залежності від того, як розмістити і орієнтувати ці світлоприймальні прилади в просторі під водою, такий фотометр буде вимірювати ту характеристику світлового поля, яка задається вибраною геометрією вимірів.

Диференціальний метод застосований в підводному спектрофотометрі для безпосереднього виміру інтегральних характеристик світлового поля під водою, який дозволяє практично повністю позбавитися від впливу умов зовнішнього опромінення та істотно зменшити погрішності вимірів від флуктуацій опроміненності. Світлоприймальні прилади в ньому виконані у вигляді "косинусних" колекторів, закріплених на кінцях гнучких довгих світловодів. Світлоприймальні прилади дозволяють вимірювати відразу декілька параметрів підводного світлового поля таких, як показники вертикального ослаблення опромінення згори Kd(z,л) та знизу Ku(z,л) і коефіцієнт дифузного відбивання R(z,л). Вихідний сигнал про ці параметри реєструється на магнітних носіях персонального комп'ютера за допомогою багатоканального інтерфейсу системи збору і обробки підсупутникової інформації. Подальша обробка сигналів до отримання фізичних величин здійснюється на персональному комп'ютері програмним шляхом. Програми задають таку послідовність виконання аналого-цифрових перетворень сигналу і математичних операцій з отриманим цифровим масивом, щоб забезпечити визначення необхідної характеристики з максимально можливою точністю.

Перевагою описаного методу визначення інтегральних параметрів світлового поля є те, що, таким чином, вдається подолати багато труднощів абсолютних вимірів підводного опромінення та зв'язаних з цим проблем абсолютних калібровок. Диференціальний метод дозволяє значно простіше досягнути таких високих точностей вимірів, які необхідні для підсупутникового забезпечення. Він дозволяє значно зменшити також і методичні погрішності натурних вимірів, які пов'язані з перешкодами від поверхневого збурення моря. При необхідності, калібровка таких фотометрів може виконуватися навіть в експедиційних умовах, оскільки для неї не вимагається наявності унікальних еталонів та складного метрологічного обладнання. Цілком достатньою є калібровка по зразкових нейтральних склах з відомою оптичною щільністю, стабільність характеристик яких гарантується впродовж тривалого часу.

В параграфі 2.2 показано, що при натурних підсупутникових дослідженнях проникнення світла в морі, особливо на мілині, недостатньо застосовувати тільки широко розповсюджені в нинішній час вимірники підводного опромінення. Необхідні також більш ретельні виміри структури світлових полів, оскільки існуючі біооптичні алгоритми непридатні в умовах мілководної шельфової зони. Такі дані можуть бути отримані за допомогою надто докладних вимірів кутового розподілу яскравості під водою, що найбільш повно і однозначно характеризує розповсюдження світла в морі. Дані вимірів цієї важливої характеристики дозволяють одержувати не тільки надто цінні відомості про структуру розподілу променевих потоків в воді, але й розрахувати всі інтегральні параметри підводного світлового поля, визначити коефіцієнти дифузного ослаблення та відбивання, а також визначати і деякі первинні оптичні характеристики вод.

В роботі запропоновано виміри яскравості в різноманітних напрямках здійснювати засобом сканування лінією візування, за допомогою спеціальної перископічної насадки, яка закріплюється на нерухомому спектрофотометрі. За рахунок високої інформативності такого методу вимірів водночас вирішується й складна проблема визначення під водою кутових координат, оскільки відомості про них закладені в самому світловому полі, яке вимірюється. Виміри тіла яскравості з глибиною дають можливість не тільки досліджувати структуру підводного світлового поля, але і дозволяють кількісно визначати також та інтегральні характеристики, які достатньо легко розраховуються по даних кутового розподілу яскравості під водою і, відповідно, дозволяють знаходити співвідношення між ними. Тому скануючий вимірник кутового розподілу яскравості під водою рекомендований для проведення ретельних інтеркалібрувальних вимірів при проведенні біооптичних підсупутникових експериментів. В цьому випадку можна провести спільні виміри однієї й тієї ж характеристики в однакових умовах за допомогою скануючого яскравоміра та звичайного вимірника опромінення. Після цього дані розрахунків по формулах використати для обгрунтування результатів вимірів вимірників опромінення шляхом їх порівняння.

В параграфі 2.3 показано, що серед інших параметрів світлового поля коефіцієнт яскравості моря займає особливе місце в дистанційному зондуванні, оскільки він може визначатися з аерокосмічних носіїв. На відміну від абсолютної яскравості висхідного випромінювання, величина коефіцієнта яскравості моря слабо залежить від умов зовнішнього освітлення і майже цілком визначається оптичними властивостями морської води із завислими та розчиненими в ній речовинами. В силу цих причин ця величина достатньо стійка до впливу випадкових перешкод при зміні гідрометеорологічних умов і тому, може служити стабільним індикатором біооптичних властивостей поверхневих вод. Коефіцієнт яскравості моря більш зручний для вимірів в польових умовах, оскільки, як і в випадку визначення інтегральних параметрів світлового поля, дозволяє обминути технічні труднощі абсолютних вимірів. З цієї точки зору, коефіцієнт яскравості моря є одним з головних параметрів, вимір яких повинен бути обов'язковим при проведенні підсупутникових експериментів.

Виміри цієї характеристики виконуються приладом, що являє собою універсальний спектрофотометр для вимірів коефіцієнта яскравості моря, який дозволяє вирішувати різноманітні підсупутникові задачі оптико-біологічного напрямку. В ньому передбачена можливість одночасного виміру кутового розподілу спектральної яскравості висхідного випромінювання моря або яскравості небосхилу, нормованих на випромінювання спектрального опромінення, яке падає на поверхню моря. Передбачена також можливість роботи як з борту дослідного судна на ходу під час переходів, так і безпосередньо з поверхні моря на гідрологічних станціях. Для цього прилад оснащений додатковими поплавцями і підводним парусом, що дозволяють йому плавати по поверхні моря на достатньо великій відстані і здійснювати виміри поза зоною затінення судна.

На відміну від параметрів світлового поля, первинні оптичні характеристики є незмінними властивостями розсіюючого середовища і не залежать від умов освітлення та від трансформації випромінювання в процесі його розповсюдження в воді. В параграфі 2.4 відзначено, що вони дозволяють вельми докладно досліджувати вертикальну оптичну структуру вод та оцінювати природу світлорозсіюючих шарів в морі. Знання цих характеристик істотно покращує якість фізичної інтерпретації даних підсупутникових вимірів і дозволяє удосконалювати засоби вирішення зворотних задач в оптиці моря. Найбільш повне уявлення про розсіюючі властивості морського середовища можна отримати по вимірах індикатрис розсіювання світла в  більш широкому по можливості  діапазоні кутів. Тому при проведенні комплексних підсупутникових океанологічних досліджень в видимому діапазоні особливо важливо забезпечити якісний вимір цього найважливішого параметру світлорозсіювання. З урахуванням цього в роботі розроблений оригінальний засіб вимірів індикатриси розсіювання, який дозволив створити полярний нефелометр з унікальними характеристиками.

Характерною особливістю нового принципу вимірів є те, що розвертання по куту здійснюється по принципу роботи перископу, шляхом обертання спеціальної скляної призми навколо осі світлоприймального пристрою, яка перпендикулярна площині сканування і проходить через центр розсіюючого об'єму. Оригінальна перископічна форма призми і строго підібрані її розміри дозволяють світлоприймальному пристрою реєструвати розсіяне випромінювання практично в усьому діапазоні кутів, включаючи й випадок виміру ослаблення прямого пучка. Для забезпечення вимірів індикатриси в малих кутах, оптична схема побудована по тіньовому принципу, основна ідея якого полягає в зменшенні до мінімуму фонового освітлення від прямих променів так, щоб можна було виконувати виміри розсіювання навіть в області надто малих кутів без урахування нульового розподілу по ідеально чистій воді. З цією ж метою в схемі передбачене регулювання ширини паралельного пучка випромінювання за допомогою спеціальної рухомої шторки. В результаті, в усьому діапазоні кутів від 0о до 180о призма завжди буде знаходитися в області затінення променя і жоден прямий промінь не може влучити в приймальний об'єктив нефелометра, в той час як розсіяні промені будуть сприйматися без всяких перешкод. Таким чином, в запропонованій новій схемі, вдалося добитися істотного зменшення фонового освітлення в малих кутах, більш ніж в 105 раз. Таке значне зменшення досягається тим, що приймальний пристрій сприймає тільки розсіяну морською водою частину випромінювання з області затінення опромінюючого пучка, а також, за рахунок застосування регулюючої шторки, яка звужує ширину цього пучка до надто малих розмірів.

В третій главі наведені результати випробування нових засобів підсупутникового забезпечення і застосування комплексу гідрооптичних приладів, розроблених на основі сформульованої нової концепції в підсупутникових експериментах в Чорному і Середземному морях, а також в Атлантичному океані. Головною метою цих експериментів є відпрацювання методики спостереження морської поверхні при дистанційному визначенні гідрооптичних і біологічних характеристик водного середовища по кольору моря в контрольованих гідрометеорологічних умовах. В результаті проведених експериментів в натурних умовах був отриманий великий обсяг інформації при одночасному визначенні характеристик фотичного шару моря і приводного шару атмосфери. Принципова можливість успішного рішення цих проблем була забезпечена вимірами, що проводилися в товщі води і над її поверхнею з різних рівнів, в тому числі і з космосу. Аналіз матеріалів, отриманих при цьому, дозволив зробити ряд практичних кроків в напрямку вирішення проблеми дистанційного зондування моря в видимому діапазоні електромагнітного спектру і визначити наступні задачі досліджень.

В параграфі 3.1 відзначено, що перші океанологічні підсупутникові експерименти біооптичного напрямку "Чорне море - Інтеркосмос" були спрямовані на рішення задач по дистанційному визначенню оптичних характеристик водних мас з виходом на показники біологічної продуктивності. Дослідження оптичних та біологічних властивостей чорноморських вод дозволили простежити за негативними наслідками забруднення Чорного моря. В результаті встановлено, що оптичні властивості чорноморських вод стали різко мінятися і набувати таких особливостей, які ніколи раніше не відзначалися. Практично по всій акваторії моря вода стала значно мутнішою і набула білуватого відтінку. Впродовж наступних декількох років процеси ці посилились і набули катастрофічного характеру, коли прозорість води по білому диску практично по всій акваторії знизилася до 5 метрів. По даних комплексних біологічних досліджень причиною цього стала зміна екосистеми Чорного моря через появу в ній нехарактерних для цього басейну видів організмів і подавлення ними інших мікроорганізмів. Вказується, що така ситуація могла бути проявом сумісної дії відразу декількох негативних чинників: закритості моря, антропогенного забруднення через стоки рік і виносами з узбережжя, а також переносом суднами нових видів організмів. Відзначено, що в наступні роки прозорість вод Чорного моря трохи підвищилася, але до нинішнього часу так і не відновилася до колишнього рівня.

В результаті проведених в Чорному морі підсупутникових досліджень з'ясувалося, що даних, які були отримані при регіональних вимірах з судна, літака та ШСЗ, явно недостатньо для аргументованої і статистично забезпеченої інтерпретації. Поступове ускладнення задач, ставило на порядок денний проведення зйомок по площі просторих акваторій або їх дільниць з метою виявлення, ідентифікації і спостереження за фізичними неоднорідностями, що були утворені на морській поверхні та в її товщі. Для повного освітлення питань, зв'язаних з інтерпретацією супутникових даних, була організована спеціалізована океанологічна експедиція, в якій підсупутникові дослідження були поширені до більш північної частини акваторії Атлантичного океану. В параграфі 3.2 відзначається, що характерною особливістю виконання експериментів в цій експедиції є суміщення під час рейсу систематичних супутникових спостережень з детальними підсупутниковими дослідженнями на просторій акваторії Атлантичного океану, що охоплює широкий діапазон змін властивостей водних мас та атмосфери. Для цього маршрут судна був вибраний таким чином, щоб пройти через аномально контрастні по своїх властивостях води Північного та Норвезького морів, Ньюфаундлендської банки та Тропічної Атлантики і таким чином простежити за їх широтними і меридіональними змінами.

В результаті проведених досліджень було отримано величезний обсяг інформації щодо різноманітних властивостей моря і атмосфери, націлений на розробку нових засобів по поліпшенню інтерпретації космічних відеозображень кольору поверхневих вод. Одним з таких засобів є запропоноване в роботі оригінальне аналітичне рішення зворотної задачі біооптики моря, що дозволяє відновлювати не тільки концентрацію пігментів фітопланктону, але й спектральні характеристики поглинання фітопланктону і розчиненої органічної речовини, а також величину зворотного розсіювання завислих речовин для зеленої області спектру. Це дозволило оцінити по даних дистанційних вимірів коефіцієнта яскравості моря, концентрації пігментів фітопланктону в мг/м3 та жовтої речовини в мкг/л на розрізі через весь Атлантичний океан.

В параграфі 3.3 по результатах досліджень, виконаних в Чорному морі, в міжнародній експедиції на науково-дослідному судні "Bilim" показано, що помутніння поверхневих вод відкритих акваторій моря залишається як і раніше високим, яким воно було вже протягом декількох років. Наслідком цього стало те, що колишні в минулому прозорі води до нинішнього часу замутились настільки, що стали слабко відрізнятися від прибережних та шельфових вод. Отримані результати добре співпадають з попередніми результатами прямих біологічних визначень хлорофілу, в той час як алгоритми SeaWiFS дають дещо завищені значення. Отримані в останній час відеозображення з супутникового сканеру кольору нової ґенерації SeaWiFS підтверджують помутніння вод Чорного моря та різке зниження в ньому просторових контрастів.

Наведені в параграфі 3.4 результати випробування полярного нефелометра в Канаді в Дальхаузському університеті з оптичне чистою водою, з бульбашками повітря в воді з відомим розподілом по розмірах та зі штучними сферичними мікрочастинками з латексу в розчинах з заздалегідь відомими властивостями продемонстрували дуже хороший збіг теоретичних розрахунків і експериментів. По даних вимірів полярного нефелометра в шельфових водах Атлантики на акваторії Морської польової станції Рутгерського університету в США вперше показано, що розширення діапазону кутів розсіювання відкриває раніше невідомі можливості у вивченні властивостей морських вод, що розсіюють випромінювання. Наведені результати досліджень переконливо свідчать про те, що основна мінливість форм індикатрис спостерігається в області малих кутів в прямому напрямку та при зворотному розсіюванні поблизу 180о, тобто саме в тих областях, де надійних і якісних вимірів до тепер не проводилося. Аналіз індикатрис в більш широкому діапазоні кутів дає підставу також спростувати існуюче уявлення про те, що індикатриси морських вод можуть описуватися однопараметричною моделлю і що воно справедливе тільки для того вузького діапазону кутів, в якому ці виміри вироблялися раніше. Цей цілком новий результат вимірів виявився можливим завдяки тому, що запропонований в роботі новий засіб вимірів індикатриси розсіювання дозволив значно розширити діапазон кутів до значень, які раніше були недосяжні при використанні традиційних засобів.

В четвертій главі досліджуються особливості просторово-часової мінливості спектральних оптичних властивостей атмосфери над Чорним морем по даних океанологічних підсупутникових експериментів та багаторічних берегових спостережень. Як показав досвід обробки даних першого сканеру кольору, інтерпретація супутникової інформації значно покращувалася, якщо для цього залучалися дані про властивості аерозолю над морем. Дослідження властивостей атмосферного аерозолю виконувалися на основі систематичних спостережень за спектральною прозорістю атмосфери. Такі спостереження в Чорному морі проводилися в основному з берегового пункту в Криму на Карадагській геофізичній обсерваторії.

В параграфі 4.1 дисертаційної роботи показано, що лише підсупутникових вимірів атмосфери недостатньо для оцінки властивостей аерозолю. Тому була запропонована і проаналізована наступна проста двохпараметрична модель розподілу аерозольних частинок по розмірах

                                       (7)

Два параметри і мають наступний фізичний сенс: пропорційний числу аерозольних частинок в 1 см3, - мінімальний розмір, що обмежує область існування аерозольних частинок.

Використовуючи цей розподіл, отримані розрахункові формули для повного показника розсіювання bl,

                               (8)

Кутового показника розсіювання bl (g)

                               (9)

та індикатриси розсіювання bl (g) природного світла на аерозольних частинках

                                       (10)

В наведених формулах g - кут розсіювання, r1 =2p r1/l, а функції, що входять в підінтегральні вирази, являють собою основні функції теорії Мі. Розрахунками по цих формулах показана можливість застосування малопараметричної моделі мікрофізичних властивостей атмосферного аерозолю для опису реального стану атмосфери, що дуже важливо при проведенні оціночних розрахунків яскравості висхідного випромінювання.

Оскільки виміри безпосередньо на акваторії моря виконувалися епізодично, то по них важко було судити про можливість застосування результатів берегових досліджень для різноманітних морських умов. Необхідно було виконати докладні виміри спектральної прозорості атмосфери в морі в різноманітних його районах і провести спільний аналіз отриманих матеріалів з даними багатолітніх берегових спостережень. Такі дослідження, виконані в експедиції 43 рейсу НДС "Михайло Ломоносов" в період проведення підсупутникового експерименту "Чорне море-Інтеркосмос" в 1984 році та в 2-му рейсі НДС "Горизонт" в 1998 році дозволили істотно заповнити цей пробіл, оскільки вдалося охопити атмосферними оптичними спостереженнями велику акваторію Чорного і Середземного морів аж до Атлантичного океану. В результаті спільного аналізу даних в параграфах 4.2 і 4.5 показано, що осереднені дані вимірів безпосередньо над морською акваторією і берегових пунктів спостережень співпадають. Порівняння результатів чорноморських вимірів з даними властивостей атмосфери над Середземним морем показало, що там спостерігався океанський тип аерозолю, що характеризується більш високою прозорістю атмосфери і нейтральним ходом спектру аерозольної оптичної товщини. Все це свідчить про те, що властивості чорноморського аерозолю ближчі до континентального типу і тому результати берегових вимірів спектральної прозорості атмосфери можуть бути застосовані також і для аналізу ситуації безпосередньо над морською акваторією.

Результати порівняльних співставлень морських та берегових вимірів дозволили обгрунтувати можливість використання багаторічних рядів спостережень Карадагської геофізичної обсерваторії для дослідження статистичних характеристик і часової мінливості оптичних властивостей атмосфери над Чорним морем. В параграфі 4.3 розглянута застосована в Карадазі методика спостережень з аналізом погрішностей вимірів і наведений опис матеріалів берегових вимірів оптичних характеристик атмосфери, які використовувалися. Для аналізу був залучений величезний масив даних систематичних багаторічних вимірів спектральної прозорості атмосфери, виконаних стандартним сонячним фотометром, який успішно пройшов інтеркалібраційні повірки по загальноприйнятій методиці в Мауна-лоа в США [Гущин Г.К., 1988].

Статистичний аналіз даних берегових вимірів оптичних характеристик атмосфери над Чорним морем проведений в параграфі 4.4, де приведені результати докладних досліджень статистичних характеристик та часової мінливості параметрів спектру аерозольної оптичної товщини атмосфери. Вперше показано, що переважний вклад в спектральну мінливість аерозольної оптичної товщини атмосфери вносить зміна загальної маси аерозолю без зміни його якісного складу. Виявлений закономірний денний хід мінливості аерозольної оптичної товщини, через який спостерігається плавна зміна прозорості атмосфери на протязі дня. Виявлена достатньо сильна сезонна мінливість аерозольної оптичної товщини атмосфери з максимумом в літні місяці, тоді як міжрічна мінливість зневажливо мала.

В результаті всебічного аналізу багатолітніх даних встановлено, що для аерозолю над Чорним морем спектральна залежність оптичної товщини атмосфери добре описується законом Ангстрема і однопараметричною моделлю, тому тут можуть застосовуватися стандартні алгоритми атмосферної корекції.

П'ята глава присвячена розробці нових засобів рішення зворотних задач по відновленню біооптичних властивостей поверхневих вод і концентрацій пігментів фітопланктону і розчиненої органічної речовини по спектру яскравості висхідного випромінювання моря. Основною проблемою при рішенні зворотних задач в біооптиці моря є низька якість вхідних оптичних даних для спектрального поглинання і розсіювання чистою морською водою без всяких домішок. Існуючі одиничні дані лабораторних вимірів по чистій воді виконані з такою великою погрішністю, що відрізняються інколи в декілька раз [О.В. Копелевич, 1976; H. Buiteveld, J.H. Hakvoort, M. Donze, 1994; R. Pope, E.S. Fry, 1997]. В деяких випадках цю проблему вдається вирішити переходом до порівняння відносних гідрооптичних величин. На основі цієї ідеї в дисертації розроблений засіб рішення зворотної задачі, який дав добрі результати відновлення концентрацій фітопланктону і розчиненої органічної речовини для багатьох акваторій, які співпадають з реальним вмістом цих домішок в морській воді.

В параграфі 5.1 проведено теоретичний розгляд аналітичних виразів для коефіцієнта яскравості моря та його залежності від первинних оптичних характеристик морської води. Показано, що точні формули для коефіцієнта яскравості моря, отримані виходячи з принципу інваріантності [В.А. Амбарцумян, 1942], дають оцінки, що співпадають з разрахунками по формулах, які випливають з двохпотокової теорії Кубелки-Мунка з експериментально визначеними коефіцієнтами [М.В. Козлянинов, В.Н. Пелевин, 1966]. На основі порівняння виведених формул з експериментально отриманою кореляційною залежністю між коефіцієнтом яскравості моря та коефіцієнтом дифузного відбивання R, встановленою для вод відкритого океану в синьо-зеленій області видимого спектру, отримана теоретична оцінка цього зв'язку

                                       (11)

де: - відомий параметр Гордона, виражений через показники зворотного розсіювання bb і поглинання середовища; T' T" - коефіцієнти пропускання поверхні моря для спадаючого і вихідного з води випромінювання; n - показник заломлення води. Для аналізу мінливості коефіцієнта яскравості моря формула (11) з використанням експериментально надійних постійних перетворюється до наступного вигляду

                               (12)

де та - спектральні показники поглинання і зворотного розсіювання чистої води (індекс w) та домішок. В параграфі 5.2 дисертації відзначається, що розрахунки, виконані по цій формулі з використанням даних про оптичні властивості чистої води [A. Morel, L. Prieur, 1977], непогано співпали з результатами натурних вимірів коефіцієнта яскравості Саргасового моря. По результатах аналізу для погодження розрахунків з реально зміряними характеристиками висхідного випромінювання запропоновано прийняти найбільш прозорі і стабільні водні маси центральної частини Саргасового моря в якості аналогу оптично чистої води. Грунтуючись на цьому наближенні, запропонований новий засіб вирішення зворотної задачі оптики моря, який дозволяє визначати концентрації оптично активних біологічних домішок по відновлених спектральних характеристиках поглинання пігментів фітопланктону і розчиненої органічної речовини. Основна ідея засобу в тому, що вирішення зворотної задачі здійснюється по різниці між зміряним і опорним спектром коефіцієнту яскравості моря, в якості якого вибраний типовий спектр найбільш прозорих вод Саргасового моря, а всі відхилення від нього вважаються такими, що викликані впливом домішок в морській воді. Для аналізу відхилень зміряних спектрів коефіцієнта яскравості моря від спектру Саргасового моря, з метою відновлення характеристик поглинання світла домішками, вводиться функція

                       (13)

Показано, що при умові, коли функція має корінь, область визначається головним чином поглинанням домішками, в той час як в області в основному переважає зумовлена розсіюванням на частинках друга складова. Якщо в короткохвильовій області спектру, то вклади розсіювання і поглинання світла в середовищі в варіації величини поділяються шляхом попереднього визначення величини зворотного розсіювання частками суспензії в області, з наступною екстраполяцією в область для визначення поглинання в області спектру, де лежать основні смуги поглинання домішок.

Встановлено, що згідно проведеного аналізу отриманих спектрів, зелена дільниця спектру,= (0.53 - 0.57 мкм) майже завжди належить області. Якщо при, то з формули (12) випливає, що в зеленій дільниці спектру . В цьому випадку для області довжин хвиль з формули (13) слідує співвідношення, з якого однозначно знаходиться величина .

                                       (14)

Це дало можливість використати зелену дільницю спектру для визначення величини зворотного розсіювання завислими частинками. При цьому враховувалося й те, що в цій області спектру величина висхідного випромінювання моря достатня для надійних вимірів і по цій причині відновлення та може виконуватися з необхідною точністю. Прийнято також, що мінливість сумарного показника зворотного розсіювання світла від довжини хвилі визначається в основному молекулярним розсіюванням, оскільки спектральна залежність зворотного розсіювання завислих частинок тут несуттєва. Показано, що після того, як в зеленій області спектру обидва параметри і визначені з використанням рівнянь (13) або (12), неважко розрахувати в синій дільниці спектру, де лежать основні смуги поглинання пігментів фітопланктону та розчиненої органічної речовини.

Проведено аналіз відновлених описаним методом спектрів поглинання оптично активних біологічних домішок в морській воді. Показано, що в залежності від переваги будь-якої з компонент, відновлені спектри інколи характеризуються або експоненціальним розподілом для жовтої речовини, або наявністю широкої смуги поглинання в синій області спектру для пігментів фітопланктону. Більша ж частина спектрів має проміжну двохмодову структуру, відновлення якої виявилося можливим лише завдяки тому, що спектральні виміри коефіцієнта яскравості моря виконувалися не тільки в видимій, але й в ближній ультрафіолетовій області спектру. По відновлених спектрах поглинання визначені концентрації жовтої речовини та пігментів фітопланктону для великої акваторії Атлантичного океану, що охоплює широкий діапазон мінливості параметрів  водних мас.

Порівнянням відновлених значень концентрацій цих речовин з безпосередніми визначеннями, які проводилися паралельно по стандартних біологічних методиках, був встановлений тісний кореляційний зв'язок між ними. Показано, що в прибережних водах кореляція погіршується внаслідок збільшення числа параметрів, які визначають спектр коефіцієнта яскравості моря. Наведена схема рішення зворотних задач оптики моря для прибережних вод з рекомендаціями по засобах досягнення оптимального результату. В параграфі 5.3 на великому статистичному матеріалі отримано тісний кореляційний зв'язок між вмістом хлорофілу в верхньому шарі моря і індексом кольору. Відзначається висока ефективність методики районування морських акваторій по індексу кольору, що дозволить провести оцінку просторового розподілу хлорофілу на просторих морських акваторіях і виділяти області підвищеної біологічної продуктивності для цілей підсупутникового забезпечення.

В висновках відзначається, що підсупутникові методи і засоби визначення кольору водних басейнів починають поступово використовуватися в експериментальній океанології при розробці систем діагностики стану морських екосистем. Дані вже перших співставлень між визначенням концентрації хлорофілу а, по інформації про колір Чорного моря зі сканеру CZCS, з матеріалами безпосередніх біологічних вимірів виявили необхідність і важливість такого тестування. Саме притягнення опорної підсупутникової інформації дозволило встановити для Чорного моря непоганий збіг між супутниковими і натурними даними в середньому за рік і значну розбіжність в зимовий період. В результаті було показано, що в зимових умовах для Чорного моря при низьких висотах сонця показання супутникових сканерів кольору потребують додаткових поправок. Основні результати проведеного дослідження сформульовані в висновках.

BИСНОВКИ

1. На основі аналізу загальноприйнятих засобів проведення підсупутникових океанологічних досліджень в видимому діапазоні, виявлена сильна залежність одержаних результатів від стану поверхні моря, геометрії спостережень і умов освітлення. Показано, що точність визначення біооптичних властивостей морських вод, в значно меншій мірі обмежується інструментальною погрішністю спектрофотометрів, які застосовуються, ніж набагато більш істотними методичними погрішностями від цих чинників. Сформульована нова концепція підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації контрольно-калібрувальними даними, основна ідея якої, полягає в тому, щоб в якості порівнювальних опорних параметрів використовувати не абсолютні величини спектральних яскравостей, а відносні величини, які являють собою значення спектральних яскравостей, нормовані на величину падаючого випромінювання. Концепція спирається також на необхідність розширення спектральної області гідрооптичних вимірів до ближньої ультрафіолетової області спектру, для поліпшення якості дистанційного визначення кольору вод Чорного моря, з надто складним складом суспензії і розчиненої органічної речовини.

2. Нова концепція дозволяє позбавитися від надто складних проблем абсолютної калібровки польових спектрофотометрів і звести до мінімуму методичні погрішності від флуктуацій яскравості і опромінення через лінзові ефекти в при поверхневих шарах. Показано, що опорна калібровка супутникової апаратури по абсолютних значеннях розповсюджуваних світлових потоків  можлива лише в рідких випадках малоймовірного збігу ідеальних метеоумов і стану збуреної поверхні моря і тому будувати стратегію підсупутникового забезпечення на основі абсолютних світлових вимірів малоефективно.

3. В рамках теорії двохкратної взаємодії випромінювання з системою море-атмосфера вирішена задача дистанційного визначення коефіцієнта яскравості моря. На основі малопараметричного уявлення залежності перетину розсіювання на аерозольних частках від довжини хвилі, проведено чисельне моделювання алгоритму атмосферної корекції для різноманітних станів атмосферного аерозолю. На чисельних прикладах обгрунтована ефективність залучення короткохвильової дільниці спектру, де через сильне розсіювання в атмосфері випромінюванням від моря можна, в першому наближенні, знехтувати. При цьому з'являється можливість характеристики розсіювання в атмосфері визначати не тільки в довгохвильовій частині спектру, як це узвичаєно в нинішній час, але і в її короткохвильовій частині і, відповідно, більш точно визначати необхідні для атмосферної корекції параметри шляхом інтерполяції, замість екстраполяції , що застосовується зараз. Незважаючи на те, що, через переважний вплив атмосферної пелени, контрасти поверхні в короткохвильовій області сильно зменшуються, вперше показано, що завдяки саме цій обставині тут вдається поділити вклади атмосфери і моря в висхідному випромінюванні і отримати кількісну оцінку коефіцієнта яскравості моря.

4. Запропонований і практично реалізований засіб безпосереднього вилучення відблискової складової в висхідному випромінюванні, що дозволяє виробляти цю процедуру незалежно від умов освітлення і стану поверхні моря. При цьому використовується та обставина, що випромінювання, яке виходить з товщі моря зазнає значної зміни спектрального складу, в той час як спектр відбитого від поверхні води випромінювання залишається практично незмінним. В результаті застосування запропонованого засобу вдалося в декілька раз підвищити контрасти неоднорідностей на поверхні моря в експериментах з штучними плямами.

5. На основі положень нової концепції розроблені принципи апаратурного забезпечення підсупутникових досліджень при визначенні кольору моря з космосу, які орієнтовані на те, щоб комплекс гідрооптичних приладів забезпечував високу точність вимірів відносних величин розповсюджуваних світлових потоків нормованих на спадаюче випромінювання. Перевага нормованих величин, передусім в тому, що вони значно менш чутливі до методичних погрішностей вимірів від умов освітлення і стану збуреної поверхні моря, тому вони залежать, в основному, від оптичних властивостей поглинання і розсіювання в середовищі і, на кінець, є необхідними параметрами біооптичних алгоритмів.

6. Показано, що більш високі вимоги до якості контрольно-калібрувальної інформації виявили настійну необхідність розробки нових гідрооптичних засобів і апаратури для підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації. Для апаратурного підсупутникового забезпечення автором були уніфіковані засоби традиційних світлових вимірів і призведені до такого вигляду, щоб можна було здійснити перехід від абсолютних вимірів світлових потоків до їхнього порівняння в диференціальному фотометрі. Запропонований новий диференціальний засіб безпосереднього виміру градієнтів інтегральних характеристик світлового поля під водою, який дозволить практично повністю позбавитися від впливу умов зовнішнього опромінення і істотно зменшити погрішності вимірів від флуктуацій опроміненності.

7. Розроблений принципово новий засіб виміру об'ємної функції розсіювання морської води, що сумістив в собі переваги існуючих малокутових і полярних нефелометрів. В основу оригінальної оптичної схеми вимірів закладений принцип роботи перископу, який здійснюється за допомогою спеціальної скляної призми, форма і строго підібрані розміри якої, дозволяють реєструвати розсіяне випромінювання практично в усьому діапазоні кутів, включаючи і випадок виміру ослаблення прямого пучка. В області малих кутів оптична схема побудована по тіньовому принципу, основна ідея якого полягає в зменшенні до мінімуму фонового засвічення від прямих променів так, щоб можна було виробляти виміри розсіювання без врахування нульового розподілу по ідеально чистій воді. В результаті, в усьому діапазоні кутів від 0о до 180о призма завжди буде знаходитися в області затінків променів і жоден прямий промінь не зможе влучити в приймальний об'єктив нефелометра, в той час як розсіяні промені будуть сприйматися без всяких завад.

Тестування полярного нефелометра в Канаді в Дальхаузському університеті з оптичне чистою водою і з використанням бульбашок повітря в воді і розчинів мікрочастинок латексу з заздалегідь відомими властивостями продемонстрували дуже гарний збіг між теоретичними розрахунками і експериментом. По даних вимірів полярного нефелометра в шельфових водах Атлантики показано, що основна мінливість форми індикатрис спостерігається в області малих кутів в прямому напрямку і для зворотного розсіювання поблизу 180о, тобто саме в тих областях, де надійних і якісних вимірів до цього часу не вироблялося. Цей цілком новий результат вимірів виявився можливим завдяки тому, що запропонований в роботі новий засіб вимірів індикатриси розсіювання дозволив значно розширити діапазон кутів до значень, які раніше були недосяжні при використанні традиційних засобів.

8. В серії міжнародних підсупутникових експериментів "Чорне море-Інтеркосмос" при безпосередній участі автора вперше були реалізовані комплексні біооптичні дослідження моря і оптичних властивостей атмосфери над ним в різноманітних океанологічних ситуаціях. Виміри  характеристик кольору  Чорного моря були виконані водночас з науково-дослідного судна, з літака-лабораторії і з космосу. Проведений широкомасштабний підсупутниковий експеримент "Атлантика-89", в якому були виконані комплексні океанологічні спостереження на великій акваторії Атлантичного океану, що охоплює широкий діапазон змін властивостей водних мас і атмосфери. В результаті проведених досліджень отриманий величезний обсяг інформації про різноманітні властивості моря і атмосфери націлений на розробку нових засобів по поліпшенню інтерпретації космічної інформації про колір поверхневих вод. Результати підсупутникових досліджень в міжнародній експедиції на судні "Билим", підтвердили зафіксовані в останнє десятиріччя помутніння поверхневих вод відкритих акваторій Чорного моря. Ці дані узгоджуються з відеозображеннями супутникового сканеру кольору SeaWiFS, в яких відзначається помутніння вод Чорного моря і зниження в ньому просторових контрастів.

9. Встановлено, що спектральна залежність оптичної товщини атмосфери над Чорним морем добре описується законом Ангстрема і однопараметричною моделлю, тому тут можуть застосовуватися стандартні алгоритми атмосферної корекції. Показано, що переважний вклад в спектральну мінливість аерозольної оптичної товщини атмосфери вносить зміна загальної маси аерозолю без зміни його якісного складу. Виявлений закономірний денний хід мінливості аерозольної оптичної товщини, через який спостерігається плавна зміна прозорості атмосфери впродовж дня. Виявлена достатньо сильна сезонна мінливість аерозольної оптичної товщини атмосфери з максимумом в літні місяці, тоді як міжрічна мінливість досить мала.

Порівняння вимірів спектральної прозорості атмосфери над Чорним і Середземним морями показало, що оптичні властивості атмосфери над Середземним морем наближаються по своїх характеристиках до океанських. Тут спостерігалася більш висока прозорість атмосфери з більш нейтральним спектром аерозольної оптичної товщини.

10. Розроблені оригінальні аналітичні засоби вирішення зворотних задач біооптики моря, які дозволять відновлювати показники поглинання пігментів фітопланктону і розчиненої органічної речовини, а також концентрацію основних  складових морської суспензії. Показано, що спектр коефіцієнта яскравості моря є найбільш зручним параметром для відновлення по ньому біооптичних властивостей поверхневих вод, оскільки висока точність вимірів цієї характеристики забезпечує тривалість рішення зворотної задачі, як для випадку чистих вод відкритих акваторій моря, так і для мутних прибережних вод. Задача вирішена для природних вод багатьох акваторій океану, включаючи і найбільш складний випадок мутних прибережних вод типу-2.

Для погодження теоретичних розрахунків з реально вимірними характеристиками висхідного випромінювання, вперше запропоновано прийняти найбільш прозорі води центральної частини Саргасового моря в якості аналогу теоретично чистої води, щоб відносно цих природних вод відновлювати концентрації домішок в відкритих акваторіях моря. Показано, що аналітичний підхід має більшу інформативність, оскільки дозволяє відновлювати не тільки концентрацію пігментів, але і спектральні характеристики поглинання фітопланктону і розчиненої органічної речовини, а також величину зворотного розсіювання суспензії.

11. На великому статистичному матеріалі отримано кореляційний зв'язок між вмістом хлорофілу в верхньому шарі моря і індексом кольору. Результати статистичного аналізу взаємозв'язків індексу кольору з іншими гідрооптичними характеристиками і концентрацією зважених і розчинених в морській воді речовин показує, що в більшості випадків, ці взаємозв'язки є тісними і значущими. Висока ефективність методики районування моря по індексу кольору, продемонстрована на матеріалах, що використовувалися для калібровки спектрометрів МКС на супутникові "Інтеркосмос-21" і дозволили провести оцінку просторового розподілу хлорофілу на великих морських акваторіях і виділяти області підвищеної біологічної продуктивності для цілей підсупутникового забезпечення.

СПИСОК OПУБЛІКOВAНИХ PОБІТ ПO ТEМІ ДИСEPТAЦІЇ

1.        Богушевский А.П., Ли М.Е., Шерстянкин П.П. Морской широкодиапазонный логарифмический фотометр. // Морские гидрофизические исследования, №2, 1973, с.173-179.

2.        Шемшура В.Е., Ли М.Е. Влияние функции угловой чувствительности фотометра на точность измерения некоторых параметров светового поля. // Морские гидрофизические исследоваия, №3, 1975, с.228-232.

3.        Ли М.Е., Мартынов О.В. Некоторые результаты исследований индекса цвета в море. // Морские гидрофизические исследования, №1, 1976, с.133-139.

4.        В.И.Маньковский, М.Е.Ли, Е.И.Афонин, В.А.Башарин. Оптические исследования Тропической Атлантики у западного побережья Африки. // Морские гидрофизические исследования, №3, 1978, с.188-197.

5.        Маньковский В.И., Ли М.Е., Соловьев М.В. Оптическая структура вод Лионского залива и ее изменение после действия мистраля. // Советско-французские исследования. Взаимодействие океана и атмосферы. Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 1978, с84-91.

6.        М.В.Соловьев, М.Е.Ли, Э.А.Михайлов, Н.А.Сорокина, В.Н.Воскресенский. Оптическая структура вод в синоптических вихревых образованиях. // Экспериментальные исследования по международной программе "Полимоде". Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 1978, с.89-95.

7.        М.Е.Ли, Е.И.Афонин, Н.А.Сорокина, В.В.Спиридонов Исследования оптической структуры вод антициклонального вихревого образования. // Морские гидрофизические исследования, №2, 1979, с.85-90.

8.        Афонин Е.И., Берсенева Г.П., Ли М.Е. и др. Оценка содержания хлорофилла в верхнем слое моря по измерению индекса цвета. // Световые поля в океане. М.: Изд. ИОАН, 1979, с.191-196.

9.        Ли М.Е. Погружаемый автоколлимационный прозрачномер. // Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов. Изд. ИТЭФ, Таллин, 1980, с.291-295.

10.        Ли М.Е., Земляная Л.А. Исследования прозрачности вод Черного моря. // Комплексные гидрофизические и гидрохимические исследования Черного моря.        Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 1980, с.52-60.

11.        М.Е.Ли. Фотометр-прозрачномер. // Научные приборы и автоматизация исследований в АН УССР. Киев: Наукова думка, 1981, 6с.

12.        Solovyev M.V., Lee M.E., Mihaylov E.A. Transmitanse and color index distribution in the western Sargasso sea. // Experimental investigation under the International Polimode Program. National Science Foundation, Washington, 1983, p.103-110.

13.        Г.Г.Неуймин, М.Е.Ли. Оптические методы оценки биологической продуктивности вод. // Автоматизация лимнологических исследований и световой режим водоемов. Изд. "Наука", Новосибирск, 1984, с.10-21.

14.        Г.Г.Неуймин, З.П.Бурлакова, В.М.Ашихмин, М.Е.Ли, Э.А.Михайлов. Структура фотического слоя вод Атлантического океана в районе материкового склона гвинейского побережья. // Океанология, М., т.XXIV, вып.3, 1984, с.445-452.

15.        М.Е.Ли, О.В.Мартынов, С.В.Паршиков Методика исключения отраженного излучения при дистанционных измерениях яркости моря. // Морской гидрофизический журнал, №3, 1985, с.28-32.

16.        С.В.Паршиков, М.Е.Ли Дистанционное определение оптических свойств поверхностного слоя моря. // Дистанционное зондирование моря с учетом атмосферы. Изд. ИКИ АН ГДР, т.2, ч.1, 1987, с.39-53.

17.        Ли М.Е., Паршиков С.В. Методика учета влияния атмосферы при дистанционном зондировании океана в оптическом диапазоне. // Морской гидрофизический журнал, № 1, 1988, с.52-58.

18.        М.Е.Ли, О.В.Мартынов, С.В.Паршиков. Спектрозональный метод и фотометр для дистанционного определения оптических неоднородностей на поверхности моря.    // Автоматизированные системы контроля состояния морской среды. Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 1992, с.90-97.

19.        С.В.Паршиков, М.Е.Ли. Дистанционное зондирование оптически активных примесей океана с применением коротковолнового участка спектра. // Автоматизированные системы контроля состояния морской среды. Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 1992, с.65-78.

20.        С.В.Паршиков, М.Е.Ли. Использование спектральных особенностей восходящего излучения для контроля состояния водных экосистем. // Автоматизированные системы контроля состояния морской среды. Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 1992, с.79-89.

21.        Ли М.Е., Мартынов О.В. Гидрооптическая аппаратура для подспутни-ковых исследований. // Международный научно-технический семинар "Морское и экологическое приборостроение". Сб. научных трудов МГИ, Севастополь, 1995, с.29-32.

22.        V.I.Haltrin, M.E.Lee, O.V.Martynov. Polar nephelometer for sea truth measurements. // Proceedings of the Second international airborne remote sensing conference and exibition. San Francisco, California, USA: Published by ERIM, v.II, 1996, p.444-450.

23.        V.I.Haltrin, M.E.Lee, O.V.Martynov. Rapid hydrologic measurements of underwater angular distrivbution of light. // Proceedings of the Twelfth international conference and workshops on applied geologic remote sensing.- Published by ERIM, vol.I., Denver, USA, 1997, p.361-368.

24.        Ли М.Е., Мартынов О.В. Измеритель коэффициента яркости для подспутниковых измерений биооптических параметров вод. // Экологическая безопасность прибрежных и шельфовых зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 2000, с.163-173.

25.        Ли М.Е., Шибанов Е.Б., Любарцев В.Г. Спектральная прозрачность атмосферы над Черным морем. // Морской гидрофизический журнал, №4, 2000, с.46-68.

26.        V.I.Haltrin, E.I.Afonin, M.E.Lee, and V.A.Urdenko. Shipborne measurements of optical atmospheric parameters above the Black Sea. // Proceedings of the Sixth international conference remote sensing for marine and coastal environment. ISSN 1066-3711, vol.II, USA, 2000, p.89-96.

27.        Шибанов Е.Б., Ли М.Е. Метод решения обратной задачи биооптики моря по данным подспутникового эксперимента на океанографической платформе. // Морской гидрофизический журнал, №3, 2000, с.50-63.

28.        А. с. 1241070 СССР, МКИ G 01 J 1/44. Фотоприемное устройство / В.В.Спиридонов, А.И.Чепыженко, Е.И.Афонин, М.Е.Ли (СССР). - №3827642/24-25; Заявлено 18.12.84; Опубликовано 30.06.86, Бюл. №24. - 4с.

29.        А. с. 1632163 СССР, МКИ G 01 N 21/47. Способ определения спектрального показателя интегрального рассеяния излучения в морской воде / Е.И.Афонин, М.Е.Ли, Б.Н.Крашенниников (СССР). - №4491339/25; Заявлено 10.10.88. Экз. №000284 - 4с.

30.        А. с. 1380415 СССР, МКИ G 01 N 21/25. Способ дистанционного определения прозрачности воды в естественных водоемах / Е.И.Афонин, М.Е.Ли, С.В.Паршиков (СССР). - №3738958/31-25; Заявлено 08.05.84. Экз. №3 - 2с.