Ученые из Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН и МФТИ проанализировали изменения концентрации хлорофилла и температуры поверхности Баренцева и Карского морей. Были обработаны снимки со спутниковых сканеров цвета за последние 26 лет. Результаты исследований опубликованы в журнале «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» и позволят прогнозировать климатические аномалии.
На качество и температуру воздуха, в том числе на содержание в нем парниковых газов, которые являются одной из причин глобального потепления, влияют процессы природного и техногенного характера, происходящие на суше и в воде. Значимую роль играют особенности жизненного цикла фитопланктона. Так именуют мелкие водоросли, которые населяют верхний, освещаемый солнцем слой воды и переносятся ее течением.
Благодаря зеленому пигменту — хлорофиллу, фитопланктон способен к фотосинтезу. Из углекислого газа и воды в растительных клетках образуются органические соединения. Химическая реакция протекает с использованием солнечной энергии и выделением кислорода. Стоит отметить, что более 50 % атмосферного кислорода синтезирует именно фитопланктон, а от продуктивности некоторых его видов напрямую зависит, какую долю солнечной радиации водная поверхность поглощает и отражает. Это соотношение, в свою очередь, определяет температуру поверхности моря.
Фитопланктон — своего рода индикатор экологических проблем. Загрязнение водных объектов может привести к исчезновению фитопланктона либо, наоборот, к излишнему его развитию, за которым закрепился благозвучный термин — «цветение» воды. Следствием обоих случаев станет нарушение природного круговорота веществ и энергии. Наблюдение за динамикой численности и биомассы фитопланктона позволит спрогнозировать возможные климатические изменения и пути смягчения их последствий.
Ученые из ИО РАН и МФТИ исследовали временные зависимости биооптических характеристик Баренцева и Карского морей. Под биооптическими характеристиками понимают величины, отражающие взаимосвязь между оптическими свойствами водной среды и жизнедеятельностью обитающих в ней организмов. К оптическим свойствам, прежде всего, относят коэффициент яркости моря, определяющий цвет выходящего из толщи воды излучения. Окрашивание обусловлено наличием в воде примесей различного происхождения, в том числе фитопланктона и следов его существования.
В ходе работы ученые проанализировали изображения морей, которые получены с 1998 по 2024 год со сканеров цвета, установленных на спутниках Земли. По снимкам были определены коэффициенты яркости моря. Узнав эти величины, ученые вычислили биооптические характеристики — содержание кокколитофорид и хлорофилла а в воде. Кокколитофорида — это одноклеточная водоросль, покрытая, словно панцирем, известковыми пластинками. Хлорофилл а — одна из форм пигмента.
Обработку временных рядов проводили методом гармонического, сингулярного, спектрального и регрессионного анализа. При гармоническом анализе ученые представляли ряды биооптических характеристик в виде рядов Фурье, то есть как сумму тригонометрических функций. Сингулярный спектральный анализ осуществлялся путем разложения исходных рядов на отдельные слагаемые: медленно меняющуюся компоненту, периодическое слагаемое и остаток (шум). С помощью квантильной регрессии ученые исследовали зависимость выборки от времени. Объем выборки составлял 10 % наибольших значений биооптических характеристик. Применение такого вычислительного метода обусловлено тем, что происходящие в Арктике изменения климата приводят не только к потеплению, но и к учащению интенсивных «цветений» фитопланктона.
«Сотрудники нашей Лаборатории составили Атлас биооптических характеристик российских морей, — объяснил Дмитрий Глуховец, заведующий Лабораторией оптики океана ИО РАН и доцент кафедры термогидромеханики океана МФТИ. — Для обработки данных со спутниковых сканеров цвета мы используем оригинальные алгоритмы, которые разработаны нами на основе результатов многолетних судовых измерений, выполненных в исследуемых регионах».
Установлено, что в среднем субрегионе Баренцева моря, находящемся под влиянием Норвежского течения, количество хлорофилла а резко возрастает раз в полгода (Рисунок 1), а кокколитофорид — раз в год. Помимо этого обнаружены колебания концентрации пигмента с периодом 6–7 лет.
Рисунок 1. Динамика концентрации хлорофилла а Хл (слева) и кокколитофорид Ncoc (справа) в среднем субрегионе Баренцева моря: линейные тренды (синие прямые), скользящее среднее (зеленые штрихи), результаты сингулярного спектрального анализа (красные кривые). Источник: журнал «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса».
В Карском море данные наблюдений не дают возможности выделить основную частоту многолетних колебаний концентрации хлорофилла а. Температура поверхности моря растет, в среднем, на 0,058–0,098°C в год (Рисунок 2).
Рисунок 2. Динамика концентрации хлорофилла а Хл (слева) и температуры поверхности моря ТПМ (справа) в юго-западном субрегионе Карского моря: линейные тренды (синие прямые), результаты сингулярного спектрального анализа (красные кривые). Источник: журнал «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса».
«Тенденция роста температуры поверхности изучаемых морей соответствует представлениям о происходящих в Арктике климатических изменениях», — добавил Дмитрий Глуховец.
Дальнейшая работа ученых будет направлена на уточнение границ акваторий, наиболее показательных для анализа межгодовой изменчивости биооптических характеристик.
