В январе 2022 года в северо-западной части моря Уэдделла у берегов Антарктиды наблюдалось мощное цветение фитопланктона. Однако спутниковые биооптические алгоритмы проигнорировали это событие: полученные ими значения концентрации хлорофилла-а — основного показателя биомассы микроводорослей — оказались занижены почти в 30 раз, а в отдельных случаях ошибка достигала 100-кратных значений.
Проведя многостороннее исследование, ученые из Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН, Института океанологии РАН и МФТИ с коллегами обнаружили главные причины столь вопиющего расхождения данных: особенности искажения спутникового сигнала антарктической атмосферой и, в меньшей степени, видовой и размерный состав фитопланктона. Работа опубликована в Journal of Marine Systems.
Фитопланктон составляет основу морских пищевых цепей, производит около половины кислорода на планете и играет важную роль в климатических процессах. Чтобы оценить его биомассу, ученые измеряют концентрацию хлорофилла-а — зеленого пигмента, который участвует в фотосинтезе. Спутники «видят» этот пигмент по цвету океана: чем больше хлорофилла, тем меньше синего и больше зеленого света выходит из толщи воды. На этом принципе основаны биооптические алгоритмы, которые по спектральным данным рассчитывают концентрацию хлорофилла-а во всей акватории Мирового океана.
Антарктическая часть океана труднодоступна для экспедиционных исследований, поэтому возможность использовать спутниковые данные здесь особенно важна. Однако именно в этих регионах стандартные биооптические алгоритмы, используемые для обработки спутниковых данных о цвете океана, систематически ошибаются. При этом для небольших концентраций (ниже 0,3–0,5 мг/м³) абсолютная величина расхождения невелика, но с ростом концентрации хлорофилла-а занижение усиливается. Отдельные исследования фиксировали 4–5-кратное, а в некоторых случаях и 10-кратное занижение.
В то же время есть работы, где для вод, примыкающих к Антарктическому полуострову с запада, занижения не обнаружено, а расхождения приписываются различиям в методах. Яркий результат был получен в ходе исследований, выполненных в 87-м рейсе научно-исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш» в январе—феврале 2022 года. Во время этого рейса на шельфе северо-западной части моря Уэдделла было обнаружено занижение спутником количества хлорофилла-а в десятки раз при реальной измеренной концентрации 7,9 мг/м³. Подобное огромное расхождение уже невозможно игнорировать, и океанологи взялись за поиск его причин.
Первым делом ученые сравнили спектры коэффициента яркости моря, полученные с борта судна и со спутников 28 января 2022 года, в день, когда была измерена максимальная концентрация хлорофилла. Фитопланктон интенсивно поглощает свет в синей и красной областях спектра, и практически не поглощает в зеленой, поэтому реальный график должен иметь максимум в области длин волн 550–570 нм, как и показывали данные с НИС «Академик Мстислав Келдыш».
Спутниковые спектры оказались абсолютно другими: резко убывающими, без максимумов, завышенными по абсолютной величине на всех длинах волн, особенно сильно в синей области. Поскольку алгоритм, рассчитывающий концентрацию хлорофилла по цвету моря, использует не абсолютное значение яркостей, а их отношение в зеленом и синем каналах, он ошибочно интерпретируют этот сигнал как признак очень чистой воды с ничтожно малой концентрацией хлорофилла. При этом результаты, полученные спутниками за неделю до 28 января и через неделю после, хорошо коррелировали с полученными на судне.
В первую очередь исследователи убедились в том, что льды и айсберги, которых было много, не могли так повлиять на итоговую картину. Напротив, присутствие льда могло завышать оценку хлорофилла, потому что лед обрастает фитопланктоном. Проанализировав данные измерений, ученые сделали вывод, что причина сбоя в системе стандартной атмосферной коррекции. Чтобы обработать сигнал, спутнику нужно вычесть из полученных им данных искажения, принесенные атмосферой,— и в этот раз алгоритм явно сработал неправильно, «выплеснув» вместе с шумами полезную информацию.
Причем ошибка наблюдалась как в спутниковых данных уровня 2 (прошедших менее строгую проверку качества), так и в более строго отфильтрованных данных уровня 3, которые усреднены по времени и пространству и обычно считаются наиболее надежными для океанологических исследований. Это означает, что подобное смещение может влиять и на другие исследования, использующие спутниковые карты концентрации хлорофилла.
Чтобы не допустить таких ошибок в будущем, океанологи сформулировали критерии отсева некачественных данных. Первый из них — неестественная, степенная форма сигнала. Второй — несоответствие между концентрацией хлорофилла, рассчитанной по данным двух независимых измерений. Дело в том, что когда солнечный свет падает на водоросли, часть энергии они поглощают для фотосинтеза, а часть переизлучают обратно в виде флуоресценции (свечения в красной области спектра). Спутник способен ее регистрировать, причем атмосферная коррекция на этих длинах волн практически не вносит помех.
Если концентрация, рассчитанная по флуоресценции, намного больше вычисленной по цвету воды, значит, атмосферная коррекция сработала неправильно. Это может случится из-за нестандартного типа аэрозоля, который не предусмотрен моделями (например, вулканический пепел, смесь морской соли с сульфатами) или тонких облаков, например перистых, которые не распознаются алгоритмом, но сильно рассеивают свет в синей области.
Кроме того, океанологи столкнулись со второй проблемой: данные, полученные с судового радиометра, в свою очередь, не соответствовали результатам моделирования по данным о первичных гидрооптических характеристиках, полученным на станции. Несмотря на то что сигнал не искажался атмосферой, концентрация хлорофилла оказалась занижена в четыре раза. Оказалось, что виной этому — особенности антарктического фитопланктона.
В этих водах господствуют виды водорослей, которые живут не поодиночке, а собираются в огромные колонии. Они образуют настоящие «облака» из клеток, соединенных длинными щетинками, или сплошные слизистые шары размером до миллиметра. Внутри этих колоний клетки расположены очень плотно, буквально прижаты друг к другу. Пигменты, отвечающие за улавливание света, оказываются упакованы так тесно, что свет не может проникнуть глубоко внутрь скопления: верхние слои клеток поглощают почти весь свет, а до нижних доходит лишь малая его часть.
В результате каждая отдельная клетка поглощает свет менее эффективно, чем если бы она плавала свободно, и стандартный расчет концентрации хлорофилла по показателю поглощения света дает занижение. К тому же в этих водах почти нет мертвого органического вещества — ни взвешенных частиц-останков, ни растворенных окрашенных соединений, которые обычно вносят вклад в показатель поглощения.
Кроме того, из-за такого гигантского размера колоний (до 1 мм) они почти не рассеивают солнечный свет обратно в сторону поверхности моря. Мелкие частицы рассеивают свет во все стороны, в том числе существенную его часть назад, а крупные — преимущественно вперед. Поэтому наличие крупных клеток делает воду более «прозрачной» для спутника: сигнал яркости становится существенно более слабым. Эти биооптические особенности дают ~4-кратное занижение даже при идеальной атмосферной коррекции. В связке со сбоем атмосферной коррекции они привели к экстремальному занижению в 25–100 раз.
«Разобраться в причинах аномалии удалось лишь благодаря комплексному подходу: сопоставление данных судовых измерений, спутниковых сканеров цвета океана и гидрооптического моделирования показало, что проблема оказалась двойной — сбой атмосферной коррекции наложился на нестандартные биооптические соотношения, характерные для антарктического фитопланктона. По отдельности каждый метод давал лишь фрагмент, а вместе они позволили увидеть полную картину»,— отметил один из авторов исследования, доцент кафедры термогидромеханики МФТИ, к.ф.-м.н. Дмитрий Глуховец.
Помимо фундаментального значения, результаты работы важны для прикладных задач. Ввиду частой облачности над акваторией моря Уэдделла и возникающего из-за этого дефицита данных спутниковых сканеров цвета, ошибки такого масштаба способны существенно искажать результаты расчетов первичной продукции океана и теплового баланса, а также скрывать от исследователей реальную динамику экосистем.
На основе полученных данных авторы предложили два простых критерия для фильтрации некачественных спутниковых данных (степенной вид спектра и несоответствие между значениями концентрации хлорофилла и интенсивности его флуоресценции), которые помогут другим исследователям избежать подобных искажений.
Кроме сотрудников МФТИ, Тихоокеанского океанологического института им. В. И. Ильичёва ДВО РАН и Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН в работе принимали участие их коллеги из Морского гидрофизического института РАН.
Научная статья: Pavel A. Salyuk, Dmitry I. Glukhovets, Alexander A. Latushkin, Olga Yu. Kalinina, Elena A. Shtraikhert, Philipp V. Sapozhnikov, Sergey A. Mosharov, Igor E. Stepochkin, Nadezhda A. Lipinskaya, Maxim I. Gorbov, Svetlana K. Klimenko. Extreme underestimation of satellite-derived chlorophyll-a concentration in the northwestern Weddell Sea during a phytoplankton bloom and its reasons. Journal of Marine Systems, Volume 252, 2025, 104159, ISSN 0924-7963; DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2025.104159
