ИССЛЕДОВАНИЕ "ГИСТЕРЕЗИСНОГО" ХАРАКТЕРА ВОЗВРАЩЕНИЯ ЛАДОЖСКОГО ОЗЕРА ИЗ МЕЗОТРОФНОГО СОСТОЯНИЯ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2009, № 1, с. 1–15
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
УДК: 551.482.482.213+528.8.04
ИССЛЕДОВАНИЕ “ГИСТЕРЕЗИСНОГО” ХАРАКТЕРА ВОЗВРАЩЕНИЯ
ЛАДОЖСКОГО ОЗЕРА ИЗ МЕЗОТРОФНОГО СОСТОЯНИЯ
© 2009 г. Д. В. Поздняков*, А. А. Коросов, Н. А. Петрова, Л. Х. Петтерссон, Х. Грассл
*Научный фонд “Международный центр по дистанционному зондированию и
окружающей среде им. Нансена, Санкт'Петербург
Институт озероведения РАН, Санкт'Петербург
Центр по дистанционному зондированию и окружающей среде им. Нансена, Берген, Норвегия
Метеорологический институт им. Макса Планка, Гамбург, Германия
*Тел: (812) 3245101; e'mail: dmitry.pozdnyakov@niersc.spb.ru
Поступила в редакцию 17.03.2008 г.
По данным SeaWiFS за период 1998–2004 гг. исследована сезонная динамика полей концентрации
хлорофилла фитопланктона и растворенного органического вещества в Ладожском озере. Показа
но, что гидрооптические характеристики вод озера претерпели значительные изменения по сравне
нию с серединой 1980 х годов. Причиной этих изменений стало возвращение озера из антропоген
но обусловленного мезотрофного состояния. Спутниковые и натурные данные свидетельствуют о
том, что указанные изменения гидрооптических свойств обусловлены тем, что пребывание озера в
мезотрофном состоянии изменило в нем продукционно деструкционные механизмы и эволюция
экосистемы приобрела “гистерезисный” характер.
ВВЕДЕНИЕ существенно снизилась. В озере начались слож
ные процессы его возвращения из мезотрофного
Обладая огромными запасами пресной воды состояния [2].
(порядка 900 км3 [1]), Ладожское озеро имеет ис
ключительное народно хозяйственное значение, Очевидно, что в виду исключительного и мно
являясь практически основным источником пи гогранного значения Ладожского озера для Севе
тьевой воды для такого мегаполиса, как Санкт ро Запада России слежение за динамикой состо
Петербург. Его водные ресурсы используются яния его экосистемы приобретает особую акту
многочисленными промышленными предприя альность.
тиями. Велико его значение для рыболовства, а Огромные размеры озера (площадь водной по
также в качестве великолепной рекреационной верхности составляет порядка 18 × 103 км2) и ди
зоны. Во многих отношениях экосистема Ладож намичность происходящих в нем термодинами
ского озера носит уникальный характер как одно ческих и биогеохимических процессов требуют
го из самых северных Великих озер мира: оно рас комплексного подхода к его изучению, с привле
положено между 59°54' и 61°47' с. ш. чением не только судовых, но и более оператив
ных спутниковых методов.
Сформированное около двенадцати тысяч лет
назад в процессе схода и таяния ледника, Ладож Именно такой комплексный подход был ис
ское озеро – изначально олиготрофное, слабо пользован нами в настоящем исследовании.
минерализованное, глубокое (средняя глубина
Ладожского озера – 51 м, а максимальная – 230 м) ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКОСИСТЕМЫ
и холодноводное. Оно сохраняло свой олиго ЛАДОЖСКОГО ОЗЕРА В ПЕРЕХОДНЫЙ
трофный статус вплоть до 1950 х годов. ПЕРИОД
Однако в последующее десятилетие Ладож Водосборный бассейн Ладожского озера рас
ское озеро оказалось подверженным сильнейше положен в поясе тайги и субарктического редко
му антропогенному эвтрофированию [1]. В ре лесья. Для водоемов этой широтной зоны харак
зультате экологически неориентированного раз терен гумидный тип лимногенеза, при котором
вития сельского хозяйства и промышленного, органическое вещество аллохтонного происхож
прежде всего целлюлозно бумажного и алюми дения преобладает над автохтонной органикой
ниевого, производства озеро приобрело статус (первичная продукция) и формирует направле
мезотрофного. ние физико химического обмена веществ в озе
Тем не менее, начиная с середины 1980 х го рах. При естественной эволюции экосистемы в
дов, антропогенная нагрузка на Ладожское озеро озерах этой зоны автохтонная первичная продук
12 ПОЗДНЯКОВ и др.
1963 гг., Ладожское озеро оставалось олиготроф
ным водоемом [8]. Антропогенное эвтрофирование
Ладоги было связано с резким увеличением поступ
ления фосфора с водами р. Волхова (рис. 1) в ре
зультате изменения технологии производства на
Уп Волховском алюминиевом заводе в период 1963–
1964 гг., а также с возросшими объемами сбросо
вых вод с деревообрабатывающих и целлюлозно
бумажных предприятий на севере [9].
Вуокса К началу исследований процесса антропоген
Пф ного эвтрофирования озера Ладожской экспеди
цией Института озероведения РАН в 1975 г. по
ступление общего фосфора в водоем составляло
около 7.5 тыс. т, превысив уровень 1950 х годов
Бурная (2.4 тыс. т/г) примерно втрое. В 1981 г. эта величи
Д на в годовом исчислении уже составила 8 тыс. т
(табл. 1).
Свирь Концентрации фосфора в воде озера выросли
также примерно втрое (табл. 2), что вызвало зна
Пб чительные изменения в следующем звене экоси
Сясь стемы – процессе формирования первичной про
Волхов дукции и бактериальной активности в водоеме.
Нева Круг доминировавших прежде в фитопланкто
не диатомовых водорослей увеличился за счет
Рис. 1. Лимнические зоны Ладожского озера. Зоны: развития высокопродуктивных видов синезеле
Пб – прибрежная, Д – деклинальная, Пф – профун ных и желтозеленых, массовых обычно в планк
дальная, Уп ультрапрофундальная. тоне богатых биогенами неглубоких эвтрофных
озер. Суммарная первичная продукция за вегета
ционный период уже в 1978 г. составила 88 гС/м2
ция невелика, так как лимитируется световыми и (продукционная нагрузка) и 1568 тыс. т углерода с
температурными условиями, а также низкими площади озера. Количество автохтонного органи
концентрациями фосфора в природных водах. ческого вещества, создаваемого фитопланктоном,
Бактериальная продукция и деструкция органи стало равно его годовому аллохтонному поступле
ческого вещества в еще большей степени ограни нию с водосборного бассейна. Такое соотношение
чены концентрацией фосфора, так как потреб было первым существенным изменением в экоси
ность бактерий в этом элементе значительно вы стемных процессах, типичных для озер этой при
ше, чем водорослей [3–7]. родной зоны, вызванным увеличением фосфор
Основная часть фосфора воды притоков в Ла ной нагрузки на водоем.
дожское озеро сконцентрирована в гуминовых Уровень развития бактериопланктона в Ла
комплексах и лишь ограниченно доступна для ор дожском озере к 1976–1978 гг. вырос по сравне
ганизмов биоты. нию с 1950 ми годами в 2–3 раза. Рост численно
До 50 х годов ХХ в7, по результатам комплекс сти бактерий наблюдался как в эпилимнионе (т.е.
ных исследований Института озероведения (то верхнем слое термически стратифицированного
гда Лаборатории озероведения АН СССР) 1956– озера), так и в гиполимнионе (нижнем, следую
Таблица 1. Динамика поступления общего фосфора (тыс. т/год) в Ладожское озеро и средняя концентрация (мкг/л)
общего фосфора в воде по всему озеру. Концентрация неорганического фосфора (мкг/л) приведена на период от
крытой воды
1976– 1981– 1984– 1987– 1990– 1993– 1996– 1999– 2001–
Годы 2003
1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2000 2002
Поступление 8.1 5.6 7.5 7.0 5.9 3.7 3.5 2.9 3.0
общего фосфора
Концентрация 26 23 22 21 21 17 17 22 17 13
общего фосфора
Неорганический 11 12 9 9 7 6 4 6 4 4
фосфор
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 2009ИССЛЕДОВАНИЕ “ГИСТЕРЕЗИСНОГО” ХАРАКТЕРА 3
Таблица 2. Результаты валидации гидрооптической модели Ладожского озера образца 1980 х годов на момент
ее создания
Данные измерений in situ Результаты восстановления
Относительная разница, %
концентраций концентраций
Схл , мкг/л Смв , мг/л СРОВ , мгС/л Схл , мкг/л Смв , мг/л СРОВ , мгС/л Схл Смв СРОВ
0.5 0.5 0.5 0.3 0.3 0.3 25 0.0 6.7
6.6 6.6 6.6 5.5 5.5 5.5 9.1 4.7 5.3
1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 5.9
0.6 0.6 0.6 0.8 0.8 0.8 14.3 20.0 12.5
0.5 0.5 0.5 0.8 0.8 0.8 23.1 20.0 6.7
1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 60.0 5.9
3.9 3.9 3.9 4.0 4.0 4.0 1.3 0.0 0.0
7.1 7.1 7.1 9.0 9.0 9.0 11.8 11.1 6.7
0.9 0.9 0.9 1.0 1.0 1.0 5.3 0.0 14.3
2.1 2.1 2.1 1.5 1.5 1.5 16.7 0.0 6.7
Среднее значение 10.6 11.6 7.0
щим за эполимнионом, слое). Величина бактери смотря на трехкратное увеличение концентрации
альной деструкции за вегетационный период в этого элемента в озерной воде.
объеме озера к 1981 г. превысила сумму годовой В результате растущей активности фито и
первичной продукции фитопланктона и годового бактериопланктона, концентрации фосфора и
поступления аллохтонного органического веще фосфатов в летнем эпилимнионе озера заметно
ства с водосборного бассейна. Таким образом, снизились уже в конце 1970 х–начале 1980 х го
подытоживая сказанное выше, следует подчерк дов (табл. 1), возник дефицит биологически до
нуть, что произошедшее ослабление антропоген ступного фосфора.
ной нагрузки на Ладожское озеро не привело, как
можно было ожидать, к снижению автохтонной О недостаточности темпа регенерации фосфо
первичной продукции, поскольку, несмотря на ра в процессе бактериальной деструкции свиде
интенсивное потребление минерального фосфо тельствует массовое появление в 1978 г. водных
ра бактериопланктоном, существующий темп ре грибов. Интенсивное развитие микрофлоры при
генерации биологически доступных форм фосфо антропогенном эвтрофировании больших озер
ра достаточен для вновь преобладающих в фито отмечалось неоднократно. Будучи гетеротрофа
планктоне видов олиготрофного периода. Легко ми, водные грибы играют важную роль в озерных
минерализуемое автохтонное органическое веще экосистемах, участвуя в биодеградации наиболее
ство поддерживает, в свою очередь, интенсивные консервативных компонентов аллохтонного ор
процессы деструкции, чему способствует огром ганического вещества, в частности, гуминовых
ный объем трофолитической области озера (т.е. комплексов [14].
области разложения первично продуцированного С 1981–1982 гг. в экосистеме Ладоги наступил
органического вещества) – его гиполимниона длительный период дестабилизации взаимосвя
[10, 11]. зей между отдельными ее компонентами, харак
терный для мезотрофной стадии эволюции озер
Потребление фосфора сообществами фито и ных экосистем [15], с резкими колебаниями ряда
бактериопланктона Ладожского озера с учетом их основных параметров лимнических процессов.
сезонного и пространственного развития в 1982 г. Поступление фосфора в озеро оставалось высо
составило соответственно 230 и 780 тыс. т за веге ким – 5–6 тыс. т. в год (табл. 1), достигая 7 тыс. т
тационный период. Роль бактерий особенно важ в 1981, 1982, 1987 и 1991 гг. Средняя концентрация
на не только в потреблении этого элемента, но и в общего фосфора по акватории была достаточно од
возвращении его в озерный круговорот в процес нородна и постепенно снижалась, оставаясь близ
се деструкции [12, 13]. кой к 20 мкг/л до 1992 г. (табл.1). Концентрации
Оборачиваемость биологически доступного минерального фосфора в эпилимнионе все чаще
фосфора летом в эпилимнионе за счет его потреб снижались до аналитического нуля.
ления одним только фитопланктоном уже к 1982 Активность биологических процессов привела
г. выросла на порядок по сравнению с олиготроф к возникновению летом “внутреннего дефицита”
ным периодом жизни озера (от 25 до 2.5 сут), не доступного фосфора в эпилимнионе озера. После
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 20094 ПОЗДНЯКОВ и др.
периода развития разнообразных по флористиче дальнейшем стали постоянными, причем прояв
скому составу комплексов фитопланктона, с лялись во всех озерных зонах.
1981–1983 гг., начинается постепенное вытесне Качественный состав автохтонного РОВ в этот
ние из числа доминантов видов эвтрофных озер период существенно изменился. Вторично воз
традиционными массовыми водорослями олиго никшее преобладание диатомовых водорослей,
трофного периода. обладающих кремневыми створками, затрудняло
Массовые виды олиготрофных озер, т.е. водое бактериальную деструкцию. С другой стороны,
мов, исторически бедных биогенами, характери общее интенсивное развитие фитопланктона со
зуются наименьшей потребностью в фосфоре и провождалось увеличением количества прижиз
низкой продуктивностью. Однако эти водоросли ненных метаболитов водорослей, составлявших
используют фосфор вдвое эффективней, чем фос значительный пул РОВ не только легко минера
форолюбивые и высокопродуктивные виды эвтроф лизуемого, но и обладающего набором фермен
ных озер. По мере возникновения в экосистеме тов, способных воздействовать на биохимические
“внутреннего дефицита” фосфора виды олиготроф и биокаталитические процессы в озере [17].
ных водоемов вновь стали более конкурентоспособ В Ладожском озере заметную роль стали иг
ными. К тому же, они лучше приспособлены к рать криптофитовые водоросли [18]. Большин
гидрологическим условиям северного холодно ство криптофитовых – фототрофы, способные к
водного озера. активному фотосинтезу в условиях очень низкой
освещенности. Есть сведения о том, что часть из
Вторичная смена доминантов фитопланктона
них миксотрофы, т.е. совмещающие фотосинтез с
привела лишь к незначительному снижению пер
гетеротрофным типом питания. По мере интен
вичной продукции, так как одновременно интен
сификации процессов деструкции в период ан
сивность летнего развития водорослей в глубоко
тропогенного эвтрофирования криптофитовые
водных зонах достигла уровня мелководных (к
водоросли, как и водные грибы, заняли одну из
1985 г. наиболее продуктивной стала именно уль
новых экологических ниш.
трапрофундальная, т.е. наиболее глубоководная
зона озера (рис. 1)). Одним из наиболее важных симптомов деста
билизации экосистемы явилось снижение кон
Экосистема озера перешла в фазу сильной не центрации растворенного в воде кислорода, вы
стабильности. Для бактериопланктона стало ха званное изменением режима накопления и де
рактерным чередование лет высокой и низкой ак струкции органического вещества в разных
тивности. Продолжала расти численность водных лимнических зонах.
грибов, максимальная весной, в период низких
Поступление фосфора в Ладожское озеро резко
температур воды, и особенно в ультрапрофундаль
снизилось с 1996 г. и к 2001–2003 гг. составляло
ной зоне. Но самым значительным проявлением
около 3 тыс. т, приблизившись к значениям 1950 х
дисбаланса озерных процессов в этот период яви
годов (табл.1). Но заметное снижение концентра
лись впервые возникшие колебания концентрации
ций фосфора в воде началось к 2001 г., преимуще
растворенного органического вещества (РОВ) в во
ственно в глубоководных зонах. Уровни концен
де – наиболее консервативного звена экосистемы.
трации минерального фосфора с 1997 г. повсюду,
В олиготрофный период концентрация РОВ, кроме прибрежной зоны, свидетельствовали о
CРОВ в воде Ладожского озера была достаточно по предельно интенсивном его круговороте в биоло
стоянной и составляла в 1959–1962 гг. 8.7 мгС/л, а гических процессах.
до 1980 г. оставалась в пределах 8.2–8.5 мгС/л, с Автохтонная продукция оставалась равной ал
диапазоном межсезонных и межгодовых колеба лохтонному поступлению органического веще
ний не более 10–12%. Но весной 1981 г. впервые ства с водосборного бассейна [19, 20]. Активность
было отмечено снижение CРОВ в профундальной и бактериальных сообществ сохранялась примерно
ультрапрофундальной зонах до 4–6 мг С/л, сохра той же, как и в 1980 е годы, но значительно сме
нившееся и летом. В 1983–1984 гг. резко изменил стилась в глубоководные зоны. Продолжался и
ся вид кинетических кривых потребления кисло усиливался дисбаланс в сезонном и межгодовом
рода в деструкционных процессах, что свидетель режиме пула РОВ, также, преимущественно, в
ствовало об изменении состава организмов глубоководных зонах. Обнаружились существен
деструкторов [16]. ные изменения в характере накопления РОВ [21].
Одновременно увеличилась степень транс Наиболее значимую роль в озерной экосисте
формированности растворенного органического ме играет высокомолекулярная фракция водного
вещества. Эти перемены совпали с годами мини гуминового вещества, осуществляющая аккумуля
мальной активности бактериопланктона и мак тивные, транспортные и регуляторные функции
симальной численности водных грибов, особен обменных процессов. Водное гуминовое вещество
но в ультрапрофундальной зоне. Колебания CРОВ, Ладожского озера представляет собой единый вы
как межсезонные, так и по акватории озера, в сокомолекулярный комплекс, в котором сконцен
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 2009ИССЛЕДОВАНИЕ “ГИСТЕРЕЗИСНОГО” ХАРАКТЕРА 5
трировано основное количество биогенных эле нию автохтонной первичной продукции, по
ментов, присутствующих в озерной воде (так, в пе скольку, несмотря на интенсивное потребление
риод 1990 х годов с гуминовой фракцией было минерального фосфора бактериопланктоном, су
связано 50–95% содержания фосфора). ществующий темп регенерации биологически до
В последнее десятилетие степень окисленно ступных форм фосфора достаточен для вновь
сти гуминового вещества в акватории озера ва преобладающих в фитопланктоне видов олиго
рьирует от 3–10% в притоках и приустьевых трофного периода. Легко минерализуемое автох
участках (данные по р. Волхову) до 70–75% в глу тонное органическое вещество поддерживает, в
боководных зонах. В процессе окисления гуми свою очередь, интенсивные процессы деструк
нового вещества происходит разрыв химических ции, чему способствует огромный объем трофо
связей с образованием гуминового вещества с литической области озера – его гиполимниона.
меньшей молекулярной массой. В низкомолеку Деструкционные возможности микофлоры не
лярную фракцию переходит часть биогенных эле только ускоряют минерализацию органического
ментов. вещества, но и способствуют более глубокой его
Образовавшиеся низкомолекулярные соеди трансформации. Все более значительное вовлече
нения в ходе дальнейшей трансформации в толще ние гуминовой фракции в биологические процес
озерной воды подвергаются биокаталитическому сы оказывается постоянным источником сохра
окислению, и содержавшиеся в них биогенные нения необходимого уровня обеспеченности био
элементы вовлекаются в озерный круговорот. ты фосфором. Подобный процесс отмечается в
озерах гумидной зоны разного уровня трофии, в
О степени трансформированности РОВ можно том числе и в Великих Северо Американских озе
судить по соотношению долей высокомолекуляр рах [6, 10, 11, 22, 23].
ной (консервативной) и низкомолекулярной (ла
бильной) фракций растворенного органического Возможно, что наблюдающееся в настоящее
вещества во времени и по пространству озера. время в Ладоге пополнение квоты биологически
Процентное содержание высокомолекулярной доступного фосфора за счет мобилизации его из
фракции – буферного звена экосистемы – доста гуминовых комплексов является этапом перехода
точно стабильное прежде (85–95%), в 2003 г. из экосистемы к не зависящему от внешней (антро
менялось в период открытой воды по акватории погенной) фосфорной нагрузки развитию.
от 36 (прибрежная зона, летом в период макси
мальной активности биологических процессов Произошедшие за последние два десятилетия
как фототрофных сообществ, так и гетеротроф существенные изменения как в композиционном
ных) до 97% (по всему объему озера осенью в ре составе сообщества фитопланктона, так и в составе
зультате усиления деструкционных процессов в РОВ с необходимостью должны были повлечь из
гиполимнионе) [9]. менение оптических свойств вод озера и, следова
Таким образом, вовлеченная в озерные круго тельно, могут быть обнаружены по космическим
вороты, преимущественно из аллохтонного ис изображениям в видимом диапазоне спектра.
точника, низкомолекулярная фракция составля В этих целях нами были использованы архив
ла в прибрежной зоне в разные сезоны до 64%, в ные данные сканера SeaWiFS – Sea viewing Wide
профундальной до 51%, в ультрапрофунлальной Field of view Sensor за 1998–2004 гг. В общей
до 27% растворенного органического вещества сложности было обработано и проанализировано
озера, способного пополнять бюджет биологиче 2223 изображений Ладожского озера, получен
ски доступного фосфора в экосистеме. Периоди ных в весеннее летне осенний период.
чески отмечавшиеся в разные годы последнего
10–15 летнего периода величины концентрации
РОВ порядка 4 мгС/л и даже 3 мгС/л должны со
ответствовать почти полному разрушению высо МЕТОДОЛОГИЯ
комолекулярной фракции РОВ. Обработка космических изображений произ
Что же касается вертикального распределения водилась с помощью созданных нами био опти
гуминовой фракции – информации, как понят ческого алгоритма и процедуры временной ин
но, чрезвычайно важной для дистанционного терполяции, подробно описанных ранее [24, 25].
зондирования (ДЗ) РОВ, то имеющиеся данные
in situ свидетельствуют о том, что нередко кон
центрация и доля гуминовой фракции в РОВ име Биооптичекский алгоритм
ет максимум не на поверхности, а на глубинах.
Таким образом, подытоживая сказанное выше, Он позволяет обрабатывать космические
следует подчеркнуть, что произошедшее ослабле снимки в оперативном режиме, используя проце
ние антропогенной нагрузки на Ладожское озеро дуры многомерной оптимизации и нейронных
не привело, как можно было ожидать, к сниже сетей. Алгоритм построен на анализе спектраль
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 20096 ПОЗДНЯКОВ и др.
ного коэффициента отражения под поверхно Для достижения минимума функции g(C) путем
стью воды, Rrsw: итеративного варьирования компонент вектора
концентраций C применяется метод Левенберга –
L u ( – 0, λ )
R rsw ( – 0, λ ) =
, (1) Марквардта (описание и ссылки см. в [29]).
E d ( +0, λ ) Нейронные сети используются в алгоритме
где Lu(–0, λ) и Ed(+0, λ) соответственно спектраль для задания концентраций ПКВ, с которых начи
ная яркость восходящего света под поверхностью нается итеративный поиск минимума функции
воды в надирном направлении и освещенность g(C). Более подробное описание обоих методов и
водной поверхности; λ – длинна волны. сравнения эффективности их применения для ДЗ
Rrsw может быть параметризован через первич природных водоемов даны, например, в [30].
ные гидрооптические характеристики среды рас Объединение двух процедур необходимо с од
пространения электромагнитного излучения – ной стороны для ускорения процесса восстанов
спектральные коэффициенты поглощения, a(λ) и ления концентраций ПКВ (за счет нейронных се
рассеяния назад, bb(λ), суммирующие соответ тей), а с другой – для обеспечения большей точ
ствующие вклады от молекул воды per se и присут ности восстановления и устойчивости алгоритма
ствующих в воде примесей, вариации которых со к шуму во входных данных (за счет процедуры оп
вокупно определяют вариации цвета воды. тимизации).
Как показано в [26], помимо молекул воды ос Разработанный алгоритм может быть приме
новными агентами, формирующими цвет при нен к природным водоемам с различными пер
родных вод, являются фитопланктон (хл), мине вичными гидрооптическими характеристиками,
ральная взвесь (мв) и РОВ. Последние являются и при наличии характерной для водоема гидрооп
важнейшими индикаторами экологического со тической модели, т. е. для наборов спектральных
стояния природных водоемов, и часто условно значений коэффициентов a *i (λ) и b *bi (λ) для ис
называются параметрами качества воды (ПКВ). комых ПКВ.
Таким образом, Алгоритм снабжен двумя дополнительными
a ( λ ) = a воды ( λ ) + C хл a *хл ( λ ) + функциями. Первая из них предназначена для об
(2) наружения пикселов с признаками оптического
+ C мв a *мв ( λ ) + C РОВ a *РОВ ( λ ); влияния тонкой облачности или редких привод
ных туманов, которые не были автоматически
b b ( λ ) = b bводы ( λ ) + C хл b *bмв ( λ ) + C мв b *bмв ( λ ), (3) идентифицированы и выделены соответствую
щими процедурами, заложенными в пакет стан
где a *i (λ) и b *bi (λ) – коэффициенты поглощения и дартной обработки SeaWiFS.
рассеяния назад, нормированные на концентра Из анализа данных численных экспериментов
цию Ci. цветообразующего агента i. спектральной изменчивости коэффициента отра
В работе была применена параметризация Rr жения Rrsw в зависимости от значений вектора
sw(λ) от a(λ) и bb(λ) и, следовательно, от вектора концентраций следует, что относительно высокие
концентраций C = [Cхл, Cмв, CРОВ], предложенная значения СКО в голубой области спектра сопро
в [27] для оптически сложных вод (вод типа 2 по вождаются резким спадом в более длинноволно
классификации А. Мореля [28]), к категории ко вой части видимого спектра для случая прозрач
торых относятся и воды Ладожского озера: ных и низко продуктивных вод.
R rsw ( λ ) = – 0,00036 + 0,110(b b(λ)/a(λ)) – В умеренно мутных и продуктивных водах (ка
(4) ковыми являются воды Ладожского озера [26])
– 0,0447 ( b b(λ)/a(λ) ) .
2
отражение света водным столбом низко как в го
лубой, так и красной областях спектра, с макси
В рамках метода многомерной оптимизации мумом на промежуточных длинах волн (чаще все
минимизируется функция невязки g путем итера го в зеленой области спектра).
тивного варьирования значений трехмерного век
тора концентраций С при заданных спектральных Ни одна из известных гидрооптических моде
лей не в состоянии описать спектрального хода
значениях a *i (λ) и b *bi (λ) Rrsw, когда отражение оказывается относительно
высоким как в голубой, так и зеленой областях
S j ( λ ) – R rswj ( λ, C )
g(C) = ∑
R ( λ, C )
rsw j
, (5) спектра с провалом в области 450–510 нм. Это да
ет основание считать, что речь идет об оптиче
j
ском влиянии атмосферных образований, когда
где Sj(λ) и Rrsw j(λ) – соответственно измеренный и на истинный спектр Rrsw (т.е. спектр Rrsw, восстанов
рассчитанный на длине волны j спектральный ко ленный после применения стандартной атмосфер
эффициент отражения (СКО) для ДЗ под поверх ной коррекции) накладывается “неучтенный” ат
ностью воды. мосферный сигнал. Последний, как отмечено вы
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 2009ИССЛЕДОВАНИЕ “ГИСТЕРЕЗИСНОГО” ХАРАКТЕРА 7
ше, возможно обусловлен тонкой облачностью где t – время, а a0, aj и n – соответственно коэф
или редким туманом. Такие образования могут фициенты и степень некоторого полинома. Ко
быть достаточно оптически прозрачными [31], эффициенты полинома в каждой ячейке были
чтобы не быть выявленными стандартной проце рассчитаны по вектору переменных Х и вектору
дурой маскирования облаков, но в тоже время дней D. Для формирования вектора Х в каждом
способными вносить спектральные искажения в космическом снимке отыскивались пикселы, на
полезный сигнал. Таким образом, применение ходящиеся в области, ограниченной двухкило
этого критерия позволяет определить зашумлен метровым радиусом, отложенным из центра ис
ные пикселы с неадекватной атмосферной кор следуемой ячейки. Из этой группы выбирались
рекцией и маскировать их, чтобы избежать не пикселы, неэкранированные облаками, и для ко
адекватных результатов восстановления. торых атмосферная коррекция была достаточно
Другая функция разработанного алгоритма со точна, что оценивалось по спектральному рас
стоит в выявлении пикселов, соответствующих пределению Rrsw (см. выше). Значения перемен
участкам водного объекта, для которых использу ных из отобранных пикселов включались в век
емая гидрооптическая модель является явно не тор Х. Вектор D составлялся из дат (по григориан
применимой. Критерием здесь служит соответ скому календарю) получения соответствующего
ствие реконструированного (по восстановленному космического снимка.
вектору концентраций С с применением гидро оп Затем методом наименьших квадратов (см.
тической модели и параметрической связи между [32]) по векторам Х и D рассчитывался вектор ко
Rrsw, a и bb) спектра Rrsw со спектром S, полученным эффициентов полинома P:
из спутниковых данных. При определенном пре
вышении в пикселе средне спектрального уровня –1
S он также маскируется. P = ( M'*M ) M'*D, (7)
Алгоритм реализован в виде программы, кото где M – матрица, составленная из вектора Х:
рая читает файл с космическими снимками Sea
WiFS в формате HDF, восстанавливает концен
трации ПКВ в каждом пикселе, проводит геомет
1, X 1, X 1 …X 1
2 n
рическую коррекцию космического снимка и
сохраняет выходные файлы в двоичном или тек
1, X 2, X 2 …X 2
2 n
стовом файле. Эта программа была использована M = , (8)
для обработки всего архива снимков Ладожского
озера со спутникового датчика SeaWiFS.
1, X m, X m …X m
2 n
Интерполяционная процедура
в которой n – длина вектора Р (степень полино
Как отмечалось выше, частое присутствие об ма), а m – длина векторов Х и D (т.е. количество
лачности и дымки над акваторией Ладожского озе пикселов, которые были отобраны с разных кос
ра на момент получения спутниковых изображений мических снимков для расчета коэффициентов
приводит к резкому сокращению пространствен полинома в этой ячейке).
ных данных дистанционного зондирования. Это
обусловлено также и неточностями атмосферной Выявленная нами сезонная динамика измене
коррекции как результат значительной простран ний хл, мв, РОВ показала, что для адекватного
ственной неоднородности оптических свойств ат описания зависимости переменной Yi от времени
мосферного аэрозоля. необходимо использовать полиномы разной сте
пени.
Для преодоления этой сложности нами была Для определения степени полинома n, для
разработана и применена специальная интерпо каждой ячейки, рассчитывалась статистическая
ляционная процедура. Семилетний архив (1998 – значимость коэффициентов полиномов. Для это
2004 гг.) данных SeaWiFS по Ладожскому озеру го в каждой ячейке векторы Х и D были разделены
был обработан следующим образом. на несколько равных по размеру подвекторов.
Вся акватория озера была разделена равномер Элементы в эти подвекторы были отобраны слу
ной сеткой на ячейки размером 0.01° на 0.01°. По чайным образом, так что в них вошли данные из
ведение исследуемой переменной Yi в каждой разных лет и из разных сезонов. Затем по подвек
ячейке было описано функцией вида: торам рассчитывалось несколько полиномов вы
сокой степени (n = 6). По найденным коэффициен
n
там полиномов определялись их средние значения.
∑a t ,
j
Yi = a0 + j (6) В результате были получены шесть осредненных
j=1 коэффициентов полиномов.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 20098 ПОЗДНЯКОВ и др.
a*хл, м2/мг ОПТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОД ЛАДОЖСКОГО
0.045
ОЗЕРА НА ВТОРУЮ ПОЛОВИНУ
1980 х ГОДОВ
0.040 (а)
Во второй половине 1980 х годов в течение
0.035 трех лет в летний период нами по всей акватории
0.030 Ладожского озера были произведены судовые из
мерения in situ спектральных значений восходя
0.025 1 щих и нисходящих потоков и концентраций ПКВ
0.020 непосредственно под поверхностью воды. В ре
зультате была разработана гидрооптическая мо
0.015 2 дель Ладожского озера (рис. 2).
0.010 Валидация модели на период ее создания с ис
0.005 пользованием описанной выше процедуры мно
400 450 500 550 600 650 700 гомерной оптимизации Левенберга Марквардта
Длина волны, нм для решения обратной задачи и судовых синхро
низированных измерений потоков и концентра
bb*хл, м2/мг ций ПКВ под поверхностью воды подробно опи
2.4 сана в [29], а ее результаты приведены в табл. 2.
2.2 (б) Таким образом, гидрооптическая модель Ла
2.0 дожского озера в составе примененного алгоритма
2 восстановления ПКВ позволила восстанавливать
1.8
искомые концентрации со средней погрешностью
1.6 в диапазоне 7–12%, т.е. модель достаточно адек
1.4 1 ватно описывала оптические свойства вод Ладож
ского озера для второй половины 1980 х гг.
1.2
1.0 Важно отметить, что в модели a *РОВ вычисляет
0.8 ся как отношение коэффициента поглощения
0.6
РОВ к общей концентрации РОВ, а не только по
400 450 500 550 600 650 700 глощающей свет фракции. Это было сделано для
Длина волны, нм того, чтобы спутниковые данные восстановления
РОВ могли быть применены для валидации эко
Рис. 2. Спектральные значения удельного коэффици логических моделей, которые не разделяют РОВ
ента поглощения РОВ, a *РОВ (λ) в современной гид на поглощающую и непоглощающую компонен
рооптической модели оз. Эри (1) и Ладожского озера ты. Такой подход также открывает возможность
1980 х годов (2). ассимиляции экологическими моделями спутни
ковых данных о ПКВ.
Однако поскольку, как отмечалось выше, доля
По критерию Фишера (см. [32]) оценивалась ста высокомолекулярной (и, следовательно, наибо
тистическая достоверность отличия от нуля средне лее поглощающей) фракции РОВ в эти годы до
го значения каждого коэффициента (p = 0.05). Ста стигала 95%, полученное значение a *РОВ отражало
тистически неотличимые от нуля коэффициенты
были отброшены, и по количеству оставшихся оптическое влияние практически всего РОВ на
Rrsw(λ) и, следовательно, на спектральное распре
коэффициентов была определена адекватная сте
деление видимого излучения, выходящего из во
пень полинома n. Затем по исходным векторам X ды.
и D в этой ячейке рассчитывался полином най
денной степени. Если бы оптические свойства вод Ладожского
озера не претерпели изменения, обсуждавшиеся
Установленная таким образом функция дает выше, то восстановление ПВК с гидрооптиче
возможность рассчитать в каждой ячейке значе ской моделью 1980 х годов должно было приво
ние переменной Yi в любой момент времени – в дить к адекватным результатам.
нашем случае начиная с 1 мая по 31 сентября. Со В табл. 3 приведены результаты восстановле
вокупность всех функций позволила строить поля ния хл и РОВ по данным SeaWiFS за 1998–2004 го
распределения Yi по всей акватории Ладожского ды (модель А).
озера с шагом по времени в пять суток. Процедура Как свидетельствуют приведенные в табл. 3 ре
интерполяции была полностью автоматизирована зультаты восстановления среднемесячных и
и реализована в виде программы на языке С++. усредненных по всему водоему концентраций
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 2009ИССЛЕДОВАНИЕ “ГИСТЕРЕЗИСНОГО” ХАРАКТЕРА 9
Таблица 3. Результаты восстановления с применением гидрооптической модели 1980 х годов (модель – С) и гид
рооптической модели 1998–2004 гг. (модель – Н) среднемесячных концентраций хл (мкг/л) и (мгС/л) в Ладож
ском озере по данным SeaWiFS, усредненным за 1998–2004 гг. и по всему водоему, а также по его южной (мелко
водной, в районе Волховской губы) и пелагиальной (ультрапрофундальной, профундальной и деклинальной )
зонам; значения концентраций приведены с соответствующими стандартными отклонениями (в единицах соот
ветствующей концентрации)
Концентрации и средне Месяц
Модель
квадратичные отклонения май июнь июль август сентябрь
Весь водоем Схл А 1.3 ± 1.3 2.2 ± 2.1 3.9 ± 2.3 4.2 ± 2.4 3.8 ± 2.4
В 2.5 ± 2.8 2.2 ± 2.8 3.1 ± 2.8 4.6 ± 2.9 4.5 ± 2.9
СРОВ А 1.5 ± 1.4 1.2 ± 1.4 1.6 ± 1.3 2.2 ± 1.1 2.3 ± 1.1
В 3.7 ± 2.4 3.2 ± 2.4 4.5 ± 2.4 6.1 ± 1.9 6.1 ± 1.9
Южное Схл А 2.3 ± 2.2 4.7 ± 2.9 6.2 ± 2.8 7.2 ± 2.9 6.5 ± 2.8
мелководье В 6.6 ± 3.3 6.3 ± 3.4 7.1 ± 3 8.1 ± 2.9 8.3 ± 2.9
СРОВ А 3.5 ± 1.5 3.3 ± 1.6 3.4 ± 1.4 3.6 ± 1.3 3.8 ± 1.2
В 7.1 ± 2 6.8 ± 2 7.7 ± 1.7 8 ± 1.3 8.1 ± 1.3
Пелагиальная Схл А 1 ± 0.7 1.6 ± 1.1 3.3 ± 1.7 4.4 ± 1.9 3.1 ± 1.6
часть В 1.6 ± 1.4 1.2 ± 1.3 2.2 ± 1.6 3.7 ± 2.1 3.5 ± 1.9
СРОВ А 1 ± 0.7 0.7 ± 0.7 1.1 ± 0.8 1.8 ± 0.8 1.9 ± 0.8
В 2.9 ± 1.6 2.3 ± 1.6 3.7 ± 1.9 5.6 ± 1.7 5.6 ± 1.6
РОВ, последние оказываются нереально низкими диции совместно с Мичиганским институтом
(ср. с данными, обсуждавшимися выше). изучения окружающей среды (ERIM).
Причина выявленного несоответствия лежит Обоснованием такого выбора послужили сле
прежде всего в произошедших за два десятилетия дующие соображения. Подобно Ладожскому озе
изменениях состава РОВ, которые мы обсуждали ру, но по времени значительно раньше, оз. Эри
выше: доля поглощающей фракции РОВ, с кото прошло во многом аналогичный путь: сильней
рой связывается прежде всего его консерватив шее антропогенное эвтрофирование сниже
ная/гуминовая составляющая, существенно со ние внешней биогенной/фосфорной нагрузки
кратилась и, следовательно, удельное сечение по начало оздоровления и постепенного возвра
глощения РОВ, a *РОВ (λ) также снизилось. Наша щения из эвтрофного состояния [22, 23].
гидрооптическая модель 1980 х годов этого, есте Следует при этом оговориться, что хотя в исто
ственно, не учитывает. рии динамики экосистем обоих озер имеются и
существенные отличия, связанные прежде всего с
Таким образом, попытка восстановления ПКВ массовым расселением в оз. Эри двухстворчатых
по старой модели немедленно указала на измене моллюсков zebra mussels, Dreissena polymorpha,
ния, произошедшие в гидрооптических свойствах это не имеет прямого отношения к циклу биохи
Ладожского озера и, следовательно, в его экоси мических реакций вовлечения гуминового веще
стеме. ства в деструкционные процессы.
Полученная нами модель для оз. Эри показала,
ГИДРООПТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ что a *РОВ (λ) по всему спектру имеет весьма низкие
ЛАДОЖСКОГО ОЗЕРА значения в сравнении, скажем, с Ладожским озе
НА ПЕРИОД 1998–2004 гг. ром образца 1980 х годов (рис. 3) или оз. Онтарио
Не имея возможности вновь провести широко того же периода [34]. Последнее может свидетель
масштабные и весьма дорогостоящие совмещен ствовать о том, что обнаруженный в динамике
ные судовые радиационные измерения и измере экосистемы Ладожского озера гистерезисный эф
ния ПКВ in situ, которые были осуществлены в фект уже имел место и в случае оз. Эри.
1980 х годах, нами была предпринята попытка С целью отразить в новой гидрооптической
синтезировать новую гидрооптичекую модель. модели Ладожского озера произошедшие измене
ния в композиционном составе сообщества фито
В качестве модели удельного поглощения РОВ планктона, в частности, возросшую роль (наряду с
были приняты значения a *РОВ (λ), полученные на диатомовыми) криптофитовых водорослей, нами
ми в 2006 г. для оз. Эри в ходе комплексной экспе были использованы данные [35, 36] о спектральных
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 200910 ПОЗДНЯКОВ и др.
a*ров, м2/мг Следует признать, что это – хорошее согласие
0.35 между дистанционными и контактными данны
ми, учитывая, что пространственное разрешение
0.30 по данным сети судовых станций (т.е. число изме
рений и их покрытие площади поверхности озе
0.25 ра) несоизмеримо хуже пространственного разре
шения спутниковых изображений. Кроме того,
0.20
следует иметь в виду и погрешности восстановле
2 ния по дистанционным данным. Последние воз
0.15
никают в результате неточностей атмосферной
0.10 коррекции и, разумеется, неполной адекватности
использованной гидрооптической модели (на
0.05 1
помним, что это – всего лишь синтетическая мо
0 дель). По проведенным нами оценкам [24], реаль
400 450 500 550 600 650 700 ная погрешность восстановления ПКВ по дан
Длина волны, нм ным космических съемок с применением нашего
алгоритма находится в пределах 30–50% в зависи
Рис. 3. Спектральные значения удельных коэффици мости от конкретной гидрооптической ситуации.
ентов: а – поглощения, a *хл (λ) и б – обратного рассе
яния, b *bхл (λ) в гидрооптической модели Ладожского
озера 1980 х годов (1) и современной модели (2). СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА
ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ
ХЛОРОФИЛЛА ФИТОПЛАНКТОНА И РОВ
сечениях поглощения и рассеяния криптофитовой
водоросли Chroomonas fr. из класса Cryptohyceae Хлорофилл фитопланктона
(рис. 3). Важно, что эти параметры у криптофитовых Как свидетельствуют наши результаты обра
весьма близки к удельным поглощательным и рас ботки данных SeaWiFS за 1998–2004 гг., первое
сеивающим свойствам клеток диатомовых водо массовое цветение фитопланктона происходит в
рослей [35]. мае в южных, преимущественно мелководных зо
В отличие от синезеленых и зеленых водорос нах, приуроченных к устьям основных рек (рис. 4,
лей, клетки которых богаты хлорофиллом, диато начало мая).
мовые и криптофитовые характеризуются отно По мере прогревания озера продвижение об
сительно низким содержанием внутриклеточного ласти интенсивного развития фитопланктона на
хл, и, как следствие, пониженным удельным ко север происходит прежде всего вдоль восточного
эффициентом поглощения, a *хл (λ), что отчетливо побережья (рис. 4, конец мая июнь, июль), что
иллюстрируется рис. 3. обусловлено рельефом дна (восточное побережье
довольно мелководно [1]), транспортом биогенов
Что же касается минеральной взвеси, ее опти из рек, впадающих в Ладогу на юге ( Волхов,
ческие характеристики по понятным причинам, Свирь, рис. 1), а также поступлением биогенов с
были просто перенесены из гидрооптической мо восточного побережья с поверхностным стоком
дели образца 1980 х годов. [8, 25].
В табл. 3 (модель В) и на рис. 4 приведены ре Как видно из рис. 4 (июнь), смещение на север
зультаты восстановления ПКВ в Ладожском озе зоны интенсивного развития фитопланктона со
ре на современном этапе с применением новой провождается спадом интенсивности его разви
гидрооптической модели. Очевидно, что восста тия на юге (повышенные концентрации хл сохра
новленные значения хл и РОВ с применением но няются лишь в относительно узкой береговой зо
вой гидрооптической модели дают значительно не) – как результат истощения к этому времени
более высокие значения концентрации РОВ, а запасов биогенных веществ, интенсивного вы
также и более высокие концентрации хл. Оба эф едания фитопланктона зоопланктоном и смены
фекта ожидаемы по причинам, обсуждавшимся состава фитопланктона на его летние, а затем и
выше в предыдущем разделе. осенние формы [18].
Согласно данным табл. 3, средняя по озеру В это же время центральная и северо западная
концентрация хл в августе за период 1998–2004 г. области Ладожского озера оказываются практи
составила ~4.6 мкг/л. В тоже время по оценкам чески вне района развития фитопланктона, по
среднего значения содержания хлорофилла для скольку лежат внутри акватории, очерченной 4°С
слоя 0–1 м, осуществленным контактными дан изотермой (рис. 5[25], рис. 4 май, июнь).
ными, оно составляло в среднем за два года Позднее ареал распространения активности
(1999–2000 гг.) 5.5 мкг/л [16], а в период с 2000 по фитопланктона расширяется по акватории озера
2005 гг. этот показатель составлял 5.3 мкг/л. [37]. по мере его прогревания и передвижения термо
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 2009ИССЛЕДОВАНИЕ “ГИСТЕРЕЗИСНОГО” ХАРАКТЕРА 11
(а)
N
Май Май
Cхл, мкг/л 0 3 6 9 11 15 Cров, мкг/л 0 2 4 6 8 10
Июнь Июнь
Cхл, мкг/л 0 3 6 9 11 15 Cров, мкг/л 0 2 4 6 8 10
Рис. 4. Сезонные вариации концентрации хл и РОВ в поверхностных водах акватории Ладожского озера по данным
SeaWiFS, усредненным за период 1998–2004 гг. Восстановление произведено с уточненной гидрооптической моделью.
бара в пелагиальную зону. В июле августе (рис. 4) вой жизненный цикл фитопланктона по наблю
в развитие фитопланктона оказываются вовле дениям из космоса.
ченными поверхностные слои всего озера. Выявленная дистанционными средствами за
В августе развитие фитопланктона достигает кономерность пространственно временная дина
северных районов Ладоги (правая верхняя часть мика полей концентрации хл подтверждается и
рис. 4), когда температура воды и там становится многолетними измерениями in situ [1, 2].
достаточно высокой. Примечательно, что к этому
времени усиливается пространственная неодно
Растворенное органическое вещество
родность поля фитопланктона. Это происходит
не только благодаря биорегуляционным процес По данным SeaWiFS, в пространственно вре
сам в самом фитопланктонном сообществе, но и менной динамике CРОВ в пелагиальной зоне, от
усиливающемуся ветровому действию [1], кото четливо выявляется три основных периода. В лет
рое начинает определять мезомасштабное движе ний период (июль август) происходит накопле
ние водных масс в Ладожском озере. ние РОВ в озере, обусловленное вегетацией
фитопланктона и, как следствие, интенсифика
По мере развития осеннего охлаждения озера цией деструкционных процессов. В сентябре эта
и возращения термобара из глубоководной части тенденция даже усиливается (за счет повышенно
Ладожского озера к его периферии, площадь, го поступления РОВ со стоком рек, вызванного
охваченная биологической активностью, начина осенним пиком атмосферных осадков).В течение
ет стремительно сокращаться. В конце сентября зимне весеннего периода происходит снижение
концентрация хл падает не только в северо запад содержания РОВ в озере, как обсуждалось во вто
ной, но и в центральной частях озера, сохраняясь ром разделе, в результате вовлечения консеква
еще, однако, в южных районах в близи дельт р. тивной части РОВ в деструкционные и биоката
Волхов и Сясь (рис. 1, 4). Так заканчивается годо литические процессы. По данным SeaWiFS наи
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 200912 ПОЗДНЯКОВ и др.
(б)
Июль Июль
Cхл, мкг/л 0 3 6 9 11 15 Cров, мкг/л 0 2 4 6 8 10
Август Август
Cхл, мкг/л 0 3 6 9 11 15 Cров, мкг/л 0 2 4 6 8 10
Сентябрь Сентябрь
Cхл, мкг/л 0 3 6 9 11 15 Cров, мкг/л 0 2 4 6 8 10
Рис. 4. Окончание.
меньшая концентрация РОВ в пелагиальной зоне лось снижение концентрации РОВ повсеместно в
наступает в июне. глубоководных зонах до 4–7 мгС/л. Одновременно
В южных мелководных зонах, где вегетация фи в южной прибрежной и прилегающей к ней пери
топланктона происходит с мая по октябрь [2] и име ферии глубоководной зоны концентрации РОВ
ет место постоянное поступление речных вод, кон увеличились, местами превышая 15 мгС/л в августе.
центрация РОВ удерживается неизменно высокой. В 2001–2002 гг. содержание РОВ в мае в мелковод
Как видно, выявленные по спутниковым данным
закономерности пространственно временной ди ных колебалась от 8.5 до 18 мгС/л. Концентрации
намики РОВ согласуется с многолетними наблюде больше 20 мгС/л отмечались только на станциях,
ниями in situ, подробно обсуждавшихся выше. Дей испытывающих влияние волховских вод. К августу,
ствительно, с 1999 г. наметилось, а в 2000 г. прояви и особенно к сентябрю октябрю, концентрации
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 2009ИССЛЕДОВАНИЕ “ГИСТЕРЕЗИСНОГО” ХАРАКТЕРА 13
поддержание первичной продуктивности озера
N на повышенном уровне, чему способствует вы
движение на позиции доминантов менее “фосфо
ролюбивых” групп фитопланктона – криптофи
товых и диатомовых, более характерных для водо
емов олиготрофного статуса.
Отсюда можно сделать вывод, что возвраще
11 ние экосистемы Ладожского озера в состояние, в
11 котором оно находилось до начала интенсивного
10 антропогенного эвтрофирования, имеет “гисте
9 резисный” характер. Действительно, со снятием
8 высокой внешней фосфорной нагрузки озерная
7
экосистема не проходит в обратной последователь
ности состояния перехода в мезотрофное состоя
6 ния из олиготрофного. Пребывание в мезотрофном
состоянии привело к тому, что экосистема Ладож
ского озера претерпела столь существенные изме
5 нения, что уместно говорить о новом этапе ее раз
4 вития, когда в условиях современного/снижен
2 ного уровня внешней фосфорной нагрузки
функционирование экосистемы в основном регу
3 лируется внутриводоемными процессами.
Представляется важным, что проведенное на
1
ми исследование динамики экосистемы Ладож
ского озера с применением данных SesWiFS за
Рис. 5. Временная динамика положения фронта тер 1998–2004 гг. продемонстрировало, что спутни
мобара по акватории Ладожского озера, полученная ковый мониторинг в состоянии отслеживать та
по спутниковым (AVHRR) данным. Цифрам соответ кие тонкие процессы динамики водной экосисте
ствуют следующие временные интервалы: 1 – 1 мая; мы, как изменения в составе РОВ (т.е. соотноше
2 – 2 мая; 3 – 10 мая; 4 – 15 мая; 5 – 20 мая; 6 – 25 мая; ния консервативной и лабильной фракций) и
7– 1 июня; 8 – 5 июня; 10 – 15 июня; 11 – 20 июня.
сдвиги в структуре доминантов сообщества озер
ного фитопланктона.
РОВ на большинстве станций на юге выросли до
10 и более мгС/л [38]. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Выявляющиеся по спутниковым данным вы 1. Ладожское озеро. Атлас / Под ред. В. А. Румянце
сокие концентрации РОВ в истоке р. Нева (Пет ва. СПб.: Изд во Института озероведения РАН,
ровская губа) объясняются, по нашему мнению, 2002. 129 с.
двумя причинами. Во первых, в этом заливе бурно 2. Петрова Н. А. Сукцессии фитопланктона при ан
развивается высшая водная растительность, и, сле тропогенном эвтрофировании больших озер. Л.:
довательно, высок уровень прижизненных выделе Наука, 1990. 198 с.
ний РОВ в воду. Во вторых, значительные количе 3. Birge E.A., Juday C. The organic content of the water of
ства РОВ могут приноситься прибрежным течени small lakes // Proc. of the Amer. Phib. Soc. 1927.V. 66.
ями с районов дельт р. Волхов и Вуокса [39]. P. 357–372.
4. Rodhe W. Crystallization of eutrophication concept in
Northern Europe // Eutrophication: Causes, conse
ЗАКЛЮЧЕНИЕ quences, correctives. Natl. Acad. Sci. 1969. P. 50–64.
Таким образом, можно констатировать, что 5. Абросов В.Н. Зональные типы лимногенеза. Л.: На
усилившееся в пост мезотрофный период вовле ука, 1982. 280 c.
чение консервативного гуминового компонента 6. Wetzel R.G. Death, detritus and energy flow in aquatic
РОВ (в результате возросшей роли микофлоры в ecosystems // Freshwater Biol. 1995. V. 33. P. 83–89.
деструкционных процессах в Ладожском озере) 7. Williamson C. E., Morris D. P., Pace M. L., Olson O. G.
обусловил сохранение существовавшего темпа Dissolved organic carbon and nutrients as regulator of
регенерации фосфора, несмотря на общую тен lake ecosystems. Resurrection of a more integrated par
денцию снижения фосфорной нагрузки с водо adigm // Limnol. Oceanogr. 1999. V. 44. P. 795–803.
сбора за последние два десятилетия. 8. Петрова Н.А., Антонов С.Е., Протопопова Е.В.
Структурные и функциональные характеристики
Процесс пополнения пула биологически до фитопланктона // Ладожское озеро: критерии со
ступного фосфора за счет высвобождения этого стояния экосистемы / Под ред. Н.А. Петровой,
элемента при разложении РОВ обусловливает А.Ю. Тержевика. СПб.: Наука, 2002. С. 119–145.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 200914 ПОЗДНЯКОВ и др.
9. Петрова Н.А., Иофина И.В., Капустина Л.Л. и др. 24. Поздняков Д.В., Коросов А.В., Петтерссон Л.Х.,
Антропогенное эвтрофирование Ладожского озе Ионов В.В. Новый операционный алгоритм вос
ра (Этапы трансформации экосистемы, 1975– становления качества природных вод по данным
2004) // Экологическая химия. 2005. T. 14. C. 209– спутникового зондирования // Исслед. Земли из
234. космоса. 2005. № 3. С. 1–13.
10. Jonson A., Meili M., Bergstrom A. K., Jansson M. 25. Korosov A. A., Pozdnyakov D. V., Pettersson L.H.,
Whole lake mineralization of allochthonous and au Grassl H. Satelliter data based study of seasonal and
tochthonous organic carbon in a large humic lake (Or spatial variations of water temperature and water quali
trasket, N. Sweden) // Limnol. Oceanogr. 2001. V. 46. ty parameters in Lake Ladoga // J. Appli. Rem. Sens.
№ 7. P. 1691–1700. 2007. V. 1. P. 011508.
11. McManus J., Heinen E.A., Baehr M.M. Hypolimnetic 26. Kondratyev K.Ya., Filatov N.N., Johannessen O.M. et al.
oxidation rates in Lake Superior. Role of dissolved or Limnology and Remote Sensing: a contemporary ap
ganic material on the lake’s carbon budget // Limnol. proach / Eds Kirill Ya. Kondratyev, N.N. Filatov.
Oceanogr. 2003. V. 48. № 4. P. 1624–1632. Chichester: Springer Praxis, 1999. 408 p.
12. Curie D. J., Kalff J. A comparison of the abilities of 27. Jerome J.H., Bukata R.P., Miller J.R. Remote sensing
freshwater algae and bacteria to acquire and retain reflectance and its relationship to optical properties of
phosphorus // Limnol. Oceanogr. 1984. V. 29. P. 298–310. natural water // Int. J. Rem. Sens. 1996. V. 17. № 1.
P. 43–52.
13. Curie D. J., Kalff J. The relative importance of bacteri
oplankton and phytoplankton in phosphorus uptake in 28. Morel A., Prieur L. Analysis of variations in ocean
freshwater // Limnol. Oceanogr. 1984. V. 29. P. 311–321. color // Limnol. Oceanogr. 1977. V. 22. P. 709–722.
14. Иофина И. В. Структура и функциональные харак 29. Кондратьев К.Я., Поздняков Д.В., Исаков В.Ю. Ра
теристики водной микофлоры // Ладожское озеро: диационно гидрооптичекские эксперименты на
критерии состояния экосистемы / Под ред. озерах. Л.: Наука, 1990. 115 с.
Н.А. Петровой, А. Ю. Тержевика. 1992. СПб.: Нау 30. Pozdnyakov D., Korosov A., Grassl H., Pettersson L. An
ка, С. 167–171. advanced algorithm for operational retrieval of water
quality from satellite data in the visible // Int. J. Rem.
15. Dussart B. Limnologie: l’etude des eaux continentales. Sens. 2005. V. 26. № 12. P. 2669–2687.
Paris: Gauthier Villars, 1966. 677 p.
31. Бартеньева О.Д., Никитинская Н.И., Сакунов Г.Г.,
16. Трегубова Т. М., Кулиш Т. П., Капустина Л. Л. На Веселова Л.К. Прозрачность толщи атмосферы. Л.:
копление и трансформация органического веще Гидрометеоиздат, 1991. 224 c.
ства в озере // Современное состояние экосистемы
Ладожского озера / Под ред. Н.А. Петровой, 32. Ивантер Э.В., Коросов А.В. Введение в количе
Г.Ф. Расплетиной. Л.: Наука,1987. С. 149–165. ственную биологию. Петрозаводск: Изд во ПетрГУ,
2003. 304 с.
17. Krylova Y. V., Korkishko. N. N. Transformation of dis
solved phytoplankton metabolites in Lake Ladoga as 33. Bristow M., Nielsen D. Remote monitoring of organic
studied by gas liquid chromatography // Proc. 3th In carbon in surface waters // Rep. EPA 600/4 81 001.
tern. Lake Ladoga Symp. 1999, Joensuu. 2000. P. 79–83. 1995. 84 p.
34. Bukata R.P., Jerome J.H., Kondratyev K.Ya., Pozdnya'
18. Летанская Г.И. Современное состояние фито kov D.V. Optical Properties and Remote Sensing of In
планктона и тенденция его изменения в период land and Coastal Waters. Boca Raton e.a.: CRC Press,
летней стратификации // Ладожское озеро: про 1995. 362 p.
шлое, настоящее, будущее / Под ред. В.А. Румян
цева, В.Г. Драбковой. СПб. : Наука, 2002. C. 165–175. 35. Ahn Y.'H., Bricaud A., Morel A. Light backscattering
efficiency and related properties of some
19. Holopainen A. M., Letanskaya G. I. Lake summer phy phytoplankters // Deep Sea Res. 1992. V. 39. № 11/12.
toplankton communities in the northern part of Lake P. 1835–1855.
Ladoga // Proc. 3th Intern. Lake Ladoga Symp. 1999,
Joensuu. 2000. P. 307–314. 36. Remote Sensing of Ocean Colour in Coastal, and other
Optically Complex, Waters / Ed. S. Sathyendranath.
20. Timakova T., Tekanova E. Primary production of the IOCCG Rep. 2000. № 3. 88 p.
skerries area of Lake Ladoga in spring and summer // 37. Румянцев В.А., Драбкова В.Г. Экологическая диа
Proc. Workshop on Sustain. Use, Management and гностика состояния Ладожского озера // Водные
Development of the Lake Ladoga Basin. 2003. V. 3. ресурсы европейского севера России. Петроза
P. 69–75. водск: Изд во Карельского научного центра, 2006.
21. Коркишко Н.Н., Кулиш Т.П., Петрова Т.Н., С. 110–126.
Черных О.А. Водное органическое вещество Ла 38. Кулиш Е.П. Гидрохимические исследования систе
дожского озера и процессы его трансформации // мы органического углерода озерной воды // Ла
Экологическая химия. 2000. T. 9. C. 221–229. дожское озеро: прошлое, настоящее, будущее /
22. Lean D.K.S. Overview on the nutrient status of Lake Под ред. В.А. Румянцева, В.Г. Драбковой. СПб.:
Ontario // Canad. J. Fish. Res. Aquat. Sci. 1987. V. 12. Наука, 2002. С. 107–111.
P. 2042–2046. 39. Крючков А.М. Влияние динамики вод Ладожского
23. Stevens R. J. J., Neilson M. A. Response of Lake Ontario озера на формирование водной массы р. Невы //
to the reductions in phosphorus load, 1967–82 // Ca Современное состояние экосистемы Ладожского
nad. J. Fish. Res. Aquat. Sci. 1987. V. 44, № 12. озера / Под ред. Н.А. Петровой, Г. Ф. Расплетиной.
P. 2059–2068. Л.: Наука, 1987. С. 180–186.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 2009ИССЛЕДОВАНИЕ “ГИСТЕРЕЗИСНОГО” ХАРАКТЕРА 15
INvestigation of a “Hysteretic” Nature of Lake Ladoga’s Coming Back
from a Mesotrophic State
D. V. Pozdnyakov, A. A. Korosov, N. A. Petrova, L. H. Pettersson, H. Grassl
Nansen International Environmental and Remote Sensing Centre, Saint'Petersburg
Institute of Limnology, Saint'Petersburg
Nansen Environmental and Remote Sensing Centre, Bergen
Max Planck Institute for Meteorology, Hamburg
Concertedly with in situ observations, remote sensing data indicate that the ecosystem of Lake Ladoga is se
riously destabilized since the outset of its coming back from the mesotrophic state. The ongoing processes en
compass, firstly, the involvement of the previously conservative humic fraction of dissolved organic matter in
to the inherent decomposition processes, and secondly, alterations of the phytoplankton community compo
sition. These changes might be irreversible.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА №1 2009Вы также можете почитать
