Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Инструментальный метод оценки размерно-количественных характеристик мезопланктона в водной толще

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Инструментальный метод оценки размерно-количественных характеристик мезопланктона в водной толще"

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ МОРСКОГО РЫБНОГО ХОЗЯЙСТВА И ОКЕАНОГРАФИИ (ВНИРО)

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П.ШИРШОВА

На правах рукописи УДК 574.583:57.08

ЛЕВАШОВ ДМИТРИИ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ РАЗМЕРНО-КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕЗОПЛАНКТОНА В ВОДНОЙ ТОЛЩЕ (специальность 11.00.08 - океанология).

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

?

Москва - 1991

Работа выполнена во Всесоюзном научно -исследовательском иис титуте морского рыбного хозяйства и океанографии Министерства рыбного хозяйства СССР

Научные руководители: академик М.Е.Виноградов

д.т.н.,проф. А.И.Жаворонков

Официальные оппоненты: д.б.ч. Г.Е.Михайловский

к.ф-м.н. Г.Н.Вишняков

Ведущее учреждение: Институт биофизики со АН СССР

Защита состоится 1991г. в часов

на заседании Специализированного совета по техни

ческим наукам при Институте океанологии им. П.Н.Ширшова АН СССР по адресу: 117218, Москез, ул. Красикова, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан " " _________ _ 1991г.

• I Актуальность проблемы. В настоящее время в методике ком--::шюцсшх океанологических работ возник разрыв между традиционными исследованиями планктона и широким внедрением современной зондирующей аппаратуры, позволяющей получать в реальном масштабе времени оценки основных гидрофизических и гидрохимических параметров воды с разрешением по глубине до долей метра.

Применение различных конструкций автоматических планкто-нособирателей, модификаций планктонных регистраторов Харда, подводных фотоавтоматов, техники подводного телевидения и голографии, а также лабораторных методов исследования планктона с использованием автоматических счетчиков и вычислительной техники несколько сокращает этот разрыв, но не позволяет ликвидировать его полностью. При этом необходимо отметить, что используя все перечисленные методы, в принципе невозможно получать информацию о качественных и количественых характеристиках планктона в реальном масштабе времени.

Для оперативного исследования пространственного распределения планктона необходила автоматизированная аппаратура, позволяющая вести счет и классификацию организмов непосредственно в водной толще. С технической точки зрения автоматизированную классификацию планктона целесообразно проводить используя различного типа датчики, позволяющие определять некие стандартные морфологические и физические признаки организмов. Это могут быть размеры, коэффициент формы, прозрачность, лю-минисценция, проводимость, звукоотражающие свойства, реакции на различные раздражители и т.д. Отсутствие представлений о видовой принадлежности организмов тут должно компенсироваться возможностью получения в реальном масштабе времени больших объемов информации и их автоматизированной обработкой.

Наиболее просто определяются размерно-количественные характеристики организмов, причем они непосредственно поддаются автоматизированной математической обработке; имеется достаточное число работ, позволяющих определить биомассу отдельных организмов по их длине и коэффициенту формы.

Шль_и_основные_зааачи_работы. Целью работы является создание инструментального метода пригодного для оперативного исследования размерно-количественных характеристик мезопланк-тона непосредственно в водной толше.

Для достижения поставленной в работе цели решаются следующие основные задачи:

1. Создание аппаратуры для исследования вертикального распределения концентрации мезопланктона в водной толще с одновременной классификацией по размерным группам.

2. Разработка методики применения создаваемой аппаратуры и отработка способов представления и регистрации данных.

3. Оценка разработанной методики по результатам опытной эксплуатации созданной аппаратуры и в сравнении с другими методами исследования планктона.

Научная_новизна^ Предложен новый инструментальный метод в исследованиях пространственного распределения мезопланктона, основанный на автоматизированной регистрации и размерном анализе взвешенных в воде частиц оптическим способом, что позволяет проводить исследования "in situ" в реальном масштабе времени. Разработан и испытан гидробиологический зонд предназначенный для оценки концентрации частиц с одновременной их классификацией по пяти размерным группам в диапазоне 0,&мм - 15мм и позволяющий работать в режиме зондирования до глубины 1000м. По своим функциональным возможностям и основным характеристикам зонд не имеет аналогов ни в СССР, ни за

рубежом.

Разработана и внедрена в практику океанологических исследований методика применения зонда "ТРАП" в режиме зондирования с использованием специально разработанного сетного вооружения. Разработано программное обеспечения для обработки данных зонда на персональном компьютере и представлением их в табличной и графической формах. Проведены морские испытания зонда в составе установки для работы в режиме прокачки забортной воды на ходу судна.

Практическая ценность и реализация работы. Разработан и внедрен в практику гидробиологический зонд для оценки вертикального распределения мезопланктона до глубины 1000м в пяти размерных группах (0,5-15мм). На его основе ЦПКТБ "Запрыбы" (Рига) выпущена опытно-промышленная серия зондов "ТРАП-4".

Внедрение зонда типа "ТРАП" и методики его использования позволяет ликвидировать методологический разрыв между гидробиологическими исследованиями распределения планктона с одной стороны и исследованиями с помощью зондов, дающих представление о физических и химических свойствах среды с другой стороны. Использование гидробиологического зонда позволяет наблюдать тонкую вертикальную структуру мезопланктона и ее динамику, проводить прицельный лов планктона, получать оценки количественного распределения мезопланктона на значительных по площади акваториях в короткие сроки и исследовать масштабы пространственных неоднородностей этого распределения.

Разработанная методика позволяет сократить время планктонных работ на станциях в 5-7 раз, а также проводить исследования поверхностного распределения планктона на ходу судна. Ожидаемый экономический эффект от внедрения зондов "ТРАП" на судах промразведки системы Минрыбхоза составляет 266,4 т.руб.

в год на один зонд

С использованием зондов "ТРАП" проведены экспериментальные планктонные исследования в различных районах Мирового океана на судах Минрыбхоза и системы АН СССР. Получены результаты по оценке распределения кормового планктона в промысловых районах ЮВТО и ГОТО, материалы по тонкой вертикальной структуре мезопланктона в мезопелагиали в зонах кислородной недостаточности, исследована динамика суточных миграций планктона, а также мезомасштабная неоднородность горизонтального распределения мезопланктона в поверхностных слоях.

Апробация_работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на:

- 5-й Всесоюзной конференции "Вопросы промысловой океанологии Мирового океана", Калининград, 1979 г.;

- 3-й Всесоюзной конференции по морской биологии, Севастополь, 1988 г.;

>ч

- расширенном коллоквиуме лаборатории техники экспедиционных исследований ВНИРО, 1989 г.;

- объединенном коллоквиуме лаборатории экологии и распределения планктонных организмов, лаборатории функционирования экосистем пелагиали и лаборатории измерительной техники Института океанологии им. П.П.Ширшова АН СССР, 1990 г.

Фактический_материал, используемый в работе, получен автором в морских экспедициях в Черном и Средиземном морях, а также в ряде акваторий Индийского, Тихого и Атлантического океанов. Всего выполнено более 500 спусков различных вариантов прибора в режиме зондирования; в режиме прокачки забортной воды аппаратурой отработано более двух месяцев.

Публикации.;. По теме диссертации опубликовано II работ, в том числе одно авторское свидетельство на изобретение.

Объем_и_структура__работы.. Работа изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 6 таблиц. Она состоит из введения и 4 глав, выводов и списка литературы, содержащего 162 названия научных работ ( в том числе 99 отечественных и 63 иностранных).

Во_Цеаении_к диссертации сформулированы: цель работы, задачи и методы исследований, краткое описание по главам и основные результаты.

В_первой_главе_проводится анализ существующих методов и средств для автоматизированного исследования планктона непосредственно в среде обитания. На основе анализа выбирается оптимальный метод исследований, а также определяются физический принцип действия создаваемой аппаратуры и основные технические требования к ней.

В настоящее время оценка размерно-количественных характеристик планктона непосредственно в водной толще возможна при использовании любого из трех следующих методов: акустического, кондуктометрического и оптического.

Акустический метод позволяет количественно оценивать распределение мезопланктона в районах с высокой биологической продукцией и однородным составом доминирующих в планктоне организмов-рассеивателей по их акустическому отражению или рассеянию, причем поведение, размерная структура и отражающие свойства организмов должны быть заранее изучены. Как правило, корреляционные зависимости между акустическими и биологическими данными сохраняют относительное постоянство только при использовании одной и той же аппаратуры и в пределах места и времени, когда эти зависимости были получены.

Кондуктометрический метод используют в зондах на основе счетчика Коултера. В этом случае регистрируется изменение

проводимости в измерительной ячейке при протекании через нее жидкости со взвешенными частицами. Однако такие зонды являются только опытными конструкциями, что главным образом, вызвано необходимостью применения измерительной ячейки с узким и поэтому легко засоряемым проточным каналом. Встречающиеся в природе существенные градиенты электропроводности позволяют осуществлять устойчивую регистрацию частиц с использованием канала, диаметр которого не более, чем в 10-20 раз превышает их минимальный размер. Вторым важным недостатком кондуктомет-рических датчиков является высокая сложность их калибровки, связанная с реакцией датчика только на живой планктон.

Оптический метод является единственным, который непосредственно позволяет измерять физический размер исследуемых частиц путем проекции тени объектов на меры длины. До последнего времени этот метод применялся для оценки размерных характеристик планктона только с использованием лабораторных устройств. Малый КПД, высокая потребляемая мощность и, наконец, просто эксплуатационная ненадежность не позволяли использовать в подводной аппаратуре вакуумные фотоэлементы. и осветители с нитью накаливания. Однако развитие технологию! производства таких элементов оптоэлектроники, как полупроводниковые фотоприемники и излучатели, позволяет теперь считать оптический метод весьма перспективным для счета и измерения размеров частиц планктона "1п эНи".

Для создания требуемой аппаратуры на основании анализа существующих методов и их возможностей выбран оптический метод. Определение размерно-количественных характеристик частиц планктона решено проводить с использованием проекционного принципа измерений, позволяющего в перспективе применять те-левизионно-вычислительные системы опознования формы частиц.

Определены следующие основные технические требования к зонду: глубина - до 1000м; диапазон размеров частиц планктона - 0,515 мм; число размерных групп - 3-5; желательно использование дополнительных измерительных каналов, например, оценки объема процеженной воды, измерение температуры воды и т.п.

В качестве основного - принят режим вертикального зондирования с концентрирующей планктонной сетью. Такое решение не исключает использование зонда в составе устройств, предназначенных для работы в режимах буксировки или прокачки забортной воды на ходу судна.

§°_второй_главе главное внимание уделено разработке конструкции и исследованию параметров оптоэлектронного датчика.- Расссматриваются структурная схема и обосновывается выбор основных конструктивных элементов. Описываются экспериментальные варианты оптоэлектронных датчиков. Предлагаются методики расчета и лабораторных исследований метрологических характеристик датчика на специально разработанном стенде.

Рабочий участок светового спектра для датчика и соответствующие конструктивные элементы (излучатель и фотоприемник, светофильтры, иллюминаторы, сканирующие элементы) выбраны на основе уравнения определяющего отношение сигнал/шум для оптоэлектронного датчика. Величина этого отношения в общем виде выражается через отношение эффективной мощности выходного полезного сигнала к мощности шума:

с

т--

Р„ и1

Р иг ш ш

Величину выходного сигнала можно представить как произведение величины сигнала, принятого фотоприемником в отсутствии исследуемого объекта № ) на коэффициент изменения сиг-

нала при регистрации объекта (&об)'

ио - Упо • Коб Величина сигнала шума, пропорциональная дисперсии шума,

для каждого конкретного случая зависит от источников шумов. В данном случае, разделяя источники на две основные группы, получаем сигнал шума, связанный с конструкцией и режимом работы оптоэлектронного датчика- Ушк, и сигнал шума природного происхождения, зависящий от внешней среды - ¡/шп. Считая эти две группы шумов не коррелированными, имеем следующее уравнение сигнал/шум для оптоэлектроного датчика:

и..?. + У..2

шк шп

Для оптоэлектронного датчика величина Коб является основным критерием выбора рабочего участка светового спектра, так как диапазон изменения Кой зависит от соотношения спектрально-зависимых оптических характеристик объекта изучения и среды. Величина Ущп является дополнительным критерием выбора рабочего участка и представляет собой совокупность природных спектрально-зависимых шумов, вызванных явлением рассеяния света взвесью, возможностью паразитной засветки фотоприемника дневным светом, проявлением эффектов флюоресценции и биолюми-нисценции. Критериями выбора оптоэлектронной пары излучателя и фотоприемника с учетом необходимого участка светового спектра являются величины Упс и Ушк .

В результате всестороннего анализа для оптоэлектронного датчика выбран участок светового спектра в ближней инфракрасной области с границами 850-930 нм. При этом учитывались оптические характеристики среды обитания и самих частиц планктона, для чего специально проведены исследования спектральной

прозрачности некоторых видов мезоплактона. Одновременно для изготовления частиц-имитаторов был подобран материал с соответствующими оптическими характеристиками.

В качестве излучателя решено применить полупроводниковый лазер на арсениде галия с длиной волны 910 нм имеющий высокие КПД, монохроматичность и стабильность. Для фотоприемника использованы кремниевые фотодиоды в сочетанием с операционными усилителями. Такая пара имеет малые габариты, а также обладает высокой экономичностью и хорошей стабильностью параметров. В процессе работы был создан и исследован ряд вариантов оптоэлектронных датчиков. Окончательно выбраный вариант опто-электронного датчика создан на базе интегрального инфракрасного полупроводникового лазера ЛПИ-102 и кремниевой МОП-фотодиодной матрицы МФ-14, имеющей организацию 32x32 элемента. Датчик позволяет определять концентрацию частиц с одновременной классификацией по пяти размерным группам в диапазоне размеров от 0,5 до 15мм.

В рамках Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) разработанный оптоэлектронный датчик, как средство измерения, относится к наборам концевых мер длины и имеет соответствующий состав определяемых погрешностей. В связи с невозможностью проведения массового эталонного промера живых организмов планктона с одновременным определением функции их распределения по размерам, при оценке точностных характеристик датчика приняты некоторые допущения:

1. Регистрируемые датчиком частицы имеют оптическую плотность не менее 0,5 (примерно в 1,5 раза прозрачнее сальп).

2. Минимальный размер частиц в любом направлении не может быть менее 0,5мм (расстояние между ячейками матрицы).

3. Распределение частиц в толще воды подчиняется нормаль-

ному закону распределения.

С учетом этих допущений проведен теоретический расчет основных видов погрешностей датчика. В соответствии с ГОСТ 16263-70 погрешность измерений с использованием набора концевых мер длины состоит из двух основных составляющих: инструментальной погрешности датчика и методической погрешности способа измерения. Для теоретической оценки инструментальной погрешности рассмотрены три ее составляющие, дающие максимальный учитываемый вклад в суммарную погрешность. Они вызваны отклонением от параллельности лазерного луча, технологической неточностью установки расстояний между ячейками фотоматрицы и разбросом в размерах ячеек. Расчитанная величина среднеквадратической инструментальной погрешности составила 0,05мм, что на порядок меньше разрешения датчика, поэтому при дальнейшей оценке решено этой погрешностью пренебречь. Более важное значение имеет методическая погрешность, которая может быть двух типов: динамическая и статистическая.

Динамическая погрешность определяется величиной сдвига между последовательными изображениями топи движущейся частицы, запоминаемыми матрицей при каждой вспышке лазера. То есть динамическая погрешность в данном случае является погрешностью дискретизации и определяется соотношением между скоростью зондирования и частотой следования импульсов лазера. Расчитанная величина динамической погрешности классификации частиц для разработанного оптоэлектронного . датчика составила 0,20,55мм в диапазоне скоростей зондирования 0,4-1,2м/сек.

Статистическая погрешность счета частиц, вызванная "эффектом совпадения", определяется вероятностью регистрации одной большой квазичастицы вместо двух реальных близко расположенных частиц меньшего размера. Теоретически, эта величина

для разработанного датчика составляет 0,01 при концентрации 14 тыс. частиц размером 0,5мм в кубическом метре и скорости зондирования 1м/сек.

На специально разработанном стенде, моделирующем поток частиц через датчик со скоростью 0,4-1,2м/сек., проведены лабораторные исследования метрологических характеристик датчика. Для исследований использовались частицы-имитаторы с длинами в диапазоне 0,5мм-15мм, взятыми с интервалом 1мм; на границах размерных групп интервал был уменьшен до 0,5 мм. Экспериментально выявленный разброс установки границ размерных групп в исследуемом датчике не превысил -0,3мм при воспроизведении скорости потока 0,8м/сек, что соответствует величинам динамических погрешностей, рассчитанных теоретически. Максимальная ошибка счета частиц-имитаторов составила 7,7%.

В_третьей__главе представлена аппаратурная реализация

гидробиологического зонда "ТРАП-4" с использованием последнего варианта оптоэлектронного датчика. Рассматривается состав и функционирование зонда, излагаются основы методики его использования. Подробно разбираются способы представления и документирования получаемой информации, описываются алгоритмы обработки данных на микро-ЭВМ. Предлагаются варианты конструкций сетного вооружения зонда для использования в режиме вертикального зондирования, их теоретический расчет и результаты экспериментальных исследований. Анализируются результаты экспериментального применения зондов в режиме прокачки забортной воды на ходу судна.

Зонд "ТРАП-4" разрабатан на базе океанологического комплекса "ОКА", позволяющего собирать аппаратуру различного назначения из отдельных функциональных модулей. Такое решение является выражением современного подхода к проектированию

электронной техники, так как открытая архитектура комплекса дает возможность оперативной модификации любого модуля. Погружаемые модули комплекса выполнены в титановых контейнерах и имеют в своем составе измерители океанологических параметров, блок питания и устройство связи с бортовой аппаратурой по одножильному кабель-тросу. Бортовая аппаратура состоит из эквивалента кабель-троса, приемо-индикаторного блока и блока питания. Система связи погружаемой и бортовой аппаратуры обеспечивает последовательную передачу восьми измеренных параметров с точностью двенадцать двоичных разрядов на канал; используется модуляция частотами 22 и 14,5кгц. Цикл опроса и передачи данных равен I сек.

Функциональная схема зонда "ТРАП-4" представлена на рис.1. Погружное устройство зонда подсоединяется к кутовой части специальной планктонной сети и позволяет определять концентрацию взвешенных в воде частиц по пяти размерным группам в диапазоне 0,5 - 15мм. Одновременно измеряется глубина погружения зонда (до 1000м) и расход воды через сеть при помощи гидрометрической вертушки, устанавливаемой во входном отверстии планктонной сети. Дополнительно в состав зонда включен измеритель температуры морской воды. Информация с зонда принимается бортовой аппаратурой, которая позволяет выдавать измеренные параметры одновременно по восьми каналам на 4-х разрядные цифровые табло и аналоговые самописцы. Предусмотрена запись и воспроизведение информации зонда на обычном кассетном стереомагнитофоне. Передача данных на микро-ЭВМ производится через последовательный интерфейс К3-232с.

В зависимости от целей, задач и режимов работы зонда намечены два подхода в способах регистрации информации.

Упрощенный подход применяется в рекогносцировочных и

магнитофон микро-ЭВМ самописцы

I

вертушка

^Г" счетчик |_ >| оборотов I

чпланктонная \ сеть

Г

проточная камера

[фотоггриемник!—

устройство управления

счетчик частиц

блок питания

3

ПОГРУЖНОЕ УСТРОЙСТВО

(НУ)

(Г счетч!гк

частиц ЛЬ

__

[измерите "л ь~~1 |температуры Г

передатчик информации

«-1 распределитель] [йзмерительП

Т | глубины__I

Рис Л. Функциональная схема зонда "ТРАП-4"

поисковых работах. Например, для выбора горизонтов отбора проб традиционными методами необходимо оперативное представление вертикального профиля распределения концентрации частиц. При работах на ходу судна для поиска фронтальных зон или сравнительной оценки продуктивных районов получаемую информацию требуется представлять в виде графика распределения кон-' центрации частиц вдоль пути пройденого судном. В таких случаях целесообразно использовать аналоговые регистрирующие устройства, причем величины концентрации частиц на регистраторах можно рассматривать в относительных единицах.

Более сложный подход применяется при работах исследовательского характера, где необходимы данные, которые можно с достаточной степенью достоверности представить в виде численности и биомассы разноразмерных груш планктона, пересчитанные на единицу объема среды. Тут необходимо совмещать регистрацию и представление получаемых данных с их обработкой при помощи вычислительных средств и соответствующего программного обеспечения. С этой целью разработана и внедрена система сбора и обработки данных зонда "ТРАЛ-4" на основе 8-разрядного персонального компьютера "АВС-26" (Япония).

Для функционирования системы разработан пакет программного обеспечения "TRAP", написаный на компилирующем варианте языка Бейсик с использованием ассемблера. Общий объем разработанного программного обеспечения около 320 Кбайтг

В составе пакета имеется пять основных программ, главная из которых осуществляет организацию экспедиционной базы данных (ЭБД), а также прием, декодирование и запись данных отдельного зондирования на гибкий диск. За единицу ЭБД принят файл данных, в который записывается вся информация, поступающая с зонда, а также спецификация зондирования. Четыре другие

программы предназначены для обработки и представления записанной в ЭБД информации в табличном и графическом видах на дисплее компьютера, принтере и многоцветном плоттере.

Также предусмотрено II сервисных и прикладных программ. Из сервисных программ три предназначены для настройки и отладки работы зонда и бортовой аппаратуры, шесть программ предназначены для различного рода коррекций и родакигрования в ЭБД. Две прикладные программы позволяют определять гидродинамические характеристики сетного вооружения.

В настоящее время с учетом опыта, полученного при разработке и эксплуатации описанного пакета программ, разработана интегрированная программа "PION", предназначенная для обработки данных зонда "ТРАП-4" на персональных компьютерах совместимых с IBM PC-XT/AT в среде MS-DOS 2.11 и выше. Эта прог рамма, кроме ранее рассмотренных функций, позволяет работать с цветными дисплеями в системах CGA и EGA и использовать рус ский язык. Широко применяются спускающиеся меню и различного рода подсказки. Программа написано на языке Турбо Бейсик с применением ассемблера и имеет объем всего около suj Кбайт.

Одним из важнейших элементов, формирующих методику работ в режиме вертикального зондирования, является конструкция сетного вооружения. Во время экспедиционных испытаний^ зондов типа "ТРАЛ" были проведены исследования характеристик нес колышх вариантов сетного вооружения в сочетании с различными методами зондирования. В результате сформулированы следующие методические рекомендации:

- сетное вооружение необходимо крепить на жестком каркасе, что улучшает смываемость с сети организмов, а также позволяет изменять направление зондирования;

- для минимизации времени задержки организмов в сети

необходимо делать ее как можно короче, однако для сохранения хорошей фильтрующей способности сети необходимо иметь отношение длины образующей сетного конуса к радиусу его входного отверстия (Н) не менее 1,5, а сама сеть должна тщательно промываться между зондированиями;

- обязательно использование жесткой верхней обратно-конусной надставки, что увеличивает эффективность фильтрации и стабилизирует гидродинамические характеристики сети;

- обязательно применение датчика профильтрованной сетью

воды.

Экспериментально установлено, что зонд отвечает заданным характеристикам при скоростях подъема от 0,35 до 1,3м/сек (оптимально 0,5-0,7м/сек). Концентрация планктона, измеренная при зондировании вниз, может в 1,8-1,5 превышать величины, полученные зондом при подъеме, -однако имееется больший разброс при повторных зондированиях.

Для анализа видового состава планктона в конструкции зонда предусмотрена возможеность отбора тотальной пробы.

Предложены конструкции и исследованы характеристики работы двух типов установок прокачки забортной воды на ходу судна (принудительного и вакуумного типа), проанализированы результаты экспериментального применения зондов в таком режиме. Расчитанное значение пространственного разрешения для такого типа установок составляет около 500-800М при скорости судна 10-12 узлов. Экспериментальное использование установок обоих типов показало, что они улавливает преимущественно планктон размером не более 1-1,5мм.

1_четвертой_главе приводятся результаты использования зондов серии "ТРАП" в биоокеанологических рейсах. Основное внимание при работе с зондом было уделено получению информа-

ции в режиме вертикального зондирования. Одновременное применение в экспедициях сетных, батометрических и гидроакустических методов, а также подводного обитаемого аппарата "Аргус" для исследований количественного распределения планктона позволило провести сравнительный анализ и верифицировать материалы полученные с использованием зонда "ТРАП".

Совпадение вакнейыих деталей распределения зоопланктона по данным зонда "ТРАП" и по результатам отбора проб 140-литровым батометром показано на примере меридианального разреза через фронтальную зону ГОТО (34-й рейс ШС "Дмитрий Менделеев"). Исходя из характера распределения планктона по вертикали и принципиальных различий в методике получения сравниваемых массивов информации, для анализа был использован непараметрический показатель корреляционной связи. Для десяти последовательных станций определен коэффициент ранговой корреляции, предложенный Спирменом:

6 Ш2

г = I- ■

гс(п2-1)

где: й - разность между рангами сопряженных значений данных; п - число парных наблюдений.

В рассматриваемом случае в качестве пары сопряженных значений данных использованы концентрация биомассы Оптометри -ческого мезопланктона и чкслешюсть частиц (зонд "ТРАП--4") для одного горизонта отбора проб. Число пар;гых наблюдений определялась числом горизонтов отбора проб батометром. Для каждой станции это составляло 12-15 горизонтов.

Основные результаты расчетов для каждой станции представлены в таблице I. В двух последних колонках указаны критические значения 1-критерия Стьюдента для опровержения нулевой гипотезы на Ь% и 1Ж-ном уровне значимости. Кроме того.

для анализа приведены данные по каждой станции о времени зон-

р

дарования, а также общей биомассе - В/т и максимальной концентрации батометрического мезопланктона - ß(max).

Таблица I.

Станция Л Время В/нг В (шах) г 3 W5) W1)

3053 17.40 7,2 161 0,759 0,582 0,729

3054 08.30 6,5 79 0,846 0,558 0,702

3055 08.55 1,8 25 -0,306 0,558 0,702

3056 21.30 17,2 563 0,405 0,558 0,702

3059 19.20 18,6 570 0,717 0,517 0,655

3060 08.30 37,6 781 0,949 0,582 0,729

3062 18.12 6,6 379 0,522 0,582 0,729

3063 09.00 25,9 810 0,930 0,582 0,729

3064 09.33 14,8 462 0,951 0,537 0,677

3067 16.32 16,7 263 0,896 0,558 0,702

С коэффициентом корреляции в пределах 0,717-0,949 нулевая гипотеза опровергается на 1%-ном уровне значимости (Р<0,01) для всех станций за исключением трех. Отрицательное значение коэффицента корреляции, полученное на станнции 3055, связано с низкой концентрацией планктона, которая здесь является наименьшей по сравнению с другими станциями. Малое значение коэффициента корреляции на станции 3056, вероятно, определялось значительным разнесением во времени работ зондом и батометром. Для станции 3062 играет роль совокупность обоих

указанных причин.

Таким образом, исходя из представленных в таблице I. результатов, можно утверждать, что характер вертикального распределения частиц по данным зонда будет достоверно соответствовать распределению батометрического мезопланктона при его общей биомассе не менее 6,5 г/мг и максимальной концентрации более 79мг/м3.

Сравнительный анализ данных, полученных зондом "ТРАП" и традиционными методами, выявил такие области планктонных исследований, где использование зонда особенно эффективно и может дать принципиально новые представления о пространственной стратификации мезопланктона. Выделено три основных направления в применении зондов: оперативная оценка тонкой вертикальной структуры распределения планктона; построение разрезов по данным зондирований на станциях; исследование прост ранственной и временной динамики планктона, в частности при суточных миграциях.

В результате применения зонда "ТРАП-4" для исследования временной динамики вертикального распределения мезопланктона в процессе суточной миграции в центральном районе Аравийского моря (15-м рейс НМС "Витязь") определена скорость мигрантов, которая составляла I,3-3,7см/сек. Подобные оценки чсрезвычай-но сложно получить другими методами. Высокая эффективность использования зонда была продемонстрирована при планктонных исследованиях в обедненных кислородом подповерхностных и промежуточных слоях воды Черного и Аравийского морей и 15 рейсы НИС "Витязь"). Использование зонда "ТРАП-4" в таких работах позволило точно определить границы вертикального распределения животных (рис.2) и проводить прицельный отбор проб традиционными методами для более детального анализа.

ТуТми БГмЧоз» им I»*;

а

15 20

Геп^егаил-е, 'С

5иг дгоир с-*) >т, пипЬгг рег пГЗ

Рис.2. Профили вертикального распределения мезопланктона по данным зонда "ТРАП-4" (15 рейс НИС "Витязь, 1987г.):

а) станция 2085, Аравийское море;

б) станция 2132, Черное море.

В результате экспериментального использования зонда в режиме прокачки забортной воды на ходу судна определен размер "пятен" поверхностного распределения планктона в восточной части тропической Атлантики (7 рейс НИС "Профессор Водяниц-кий"). Для размерной группы 0,3-0,8мм протяженность областей повышенной концентрации составил 10-30 миль. Эта работа продемонстрировала целесообразность использования аппаратуры на основе зонда "ТРАП" для исследований пространственной неоднородности количественного распределения планктона в поверхностных слоях воды.

Основные_результдты работы состоят в следующем:

1. Решена главная научная задача - разработан принципиально новый инструментальный метод оперативной оценки численности и биомассы мезопланктона, методологически совместимый с современной методикой использования гидрофизических зондов.

2. Для счета и оценки размеров взвешенных в воде частиц выбран оптический метод как единственный, который непосредственно позволяе-т измерять физический размер исследуемых частиц. Обосновано использование оптоэлектронного датчика, на основе проекции теш частиц на меры длины и сравнения с ними, что .позволяет в перспективе перейти на телевизионно вычислительную систему опознавания формы частиц. Разработаны технические требования к зондирующей аппаратуре и методике ее использования.

3. На основании результатов проведенных исследований по оценке спектральной прозрачности основных видов планктонных организмов и уравнения, определяющего отношение сигнал/шум для оптоэлектронного датчика, выбран рабочий участок светового спектра в ИК-области (910нм), а также полупроводниковый лазер и кремниевый фотоприемник в качестве оптоэлектронной

пары.

4. Разработано и исследовано несколько вариантов опто-электронных датчиков. В результате проведенных морских испытаний выбран оптоэлектронный датчик на базе интегрального инфракрасного полупроводникового лазера ЛПИ-102 и кремниевой МОП-фотодиодной матрицы МФ-14, имеющей организацию 32x32 элемента и позволяющий определять концентрацию частиц с одновременной классификацией по пяти размерным группам в диапазоне размеров от 0,5 до 15мм.

5. Проведена теоретическая оценка погрешностей для разработанного датчика и способа измерений. Инструментальная погрешность датчика не превышает 0,05мм. Динамическая погрешность способа классификации частиц составляет 0,2-0,55мм в диапазоне скоростей зондирования 0,4-1,2м/сек. Статистическая погрешность счета частиц определяется вероятностью регистрации одной квазичастицы вместо двух реальных частиц. Эта величина для частиц размером 0,5мм составляет 0,01 при концентрации 14 тыс.экз/м3 и скорости зондирования 1м/сек.

6. Разработана методика расчета и лабораторных исследований метрологических характеристик оптоэлектронного датчика на специально разработанном стенде, позволяющем моделировать поток частиц со скоростью О,4-1,2м/сек. Экспериментально установлено, что при воспроизведении скорости потока 0,8м/сек. размеры зон неопределенности на границах размерных груш в разработанном датчике оказались близки к величинам динамических погрешностей, рассчитанных теоретически. Выявленная • максимальная ошибка счета частиц-имитаторов составила 7,7%.

7. На базе разработанного оптоэлектронного датчика выпущена опытно-промышленная серия зондов "ТРАП-4", позволяющих классифицировать взвешенные в морской воде частицы размером

О,5-15мм по пяти размерным группам до глубины 1000м.

8.Разработана и обоснована методика работ с гиробиологи-ческим зондом в режиме зондирования, в частности:

- разработано программное обеспечение, позволяющее проводить регистрацию данных зонда "ТРАП-4", их обработку и представление в табличной и графической формах с использованием нескольких типов микро-ЭВМ;

- на основе теоретического анализа и ■ эксперименталышх исследований гидродинамических характеристик выбраны основные геометрические соотношения и разработана конструкция оптимального варианта сетного вооружения для зонда "ТРАГ1-4";

- выработаны методические рекомендации по проведению забортных работ, определены направление (вверх) и оптимальная скорость движения погружного устройства (0,4-0,8м/сек).

9. Проведены морские испытания зонда в составе установки для работы в режиме прокачки забортной воды на ходу судна. Разработаны и испытаны конструкции установок прокачки принудительного и вакуумного типа. Экспериментально установлено, что они обеспечивают пространственное разрешение около 500-800м при скорости судна 10-12 узлов и улавливают преимущественно частицы размером не более 1-1,Ьмм.

10. Проведен сравнительный анализ и верификация материалов использования зонда "ТРАП" с материалами традиционных методов исследования количественного распределения планктона. Определен коффициент ранговой корреляции для десяти последовательных станций меридионального разреза в субантарктике Тихого океана и установлено, что характер вертикального распределения ^астиц по данным зонда достоверно соответствует распределению батометрического мезопланктона при его общей биомассе не менее 6,5г/мг и максимальной концентрации более 79мг/м3.

11. Определены три наиболее перспективных направления использования зонда "ТРАП":

- получение экспресс-характеристики обилия и вертикального распределения мезопланктонных организмов при ограниченном времени на проведение станций;

- исследование пространственных и временных характеристик распределения планктона в мезо- и микромасштабе;

- "наведение" стандартных количественных орудий лова на детали вертикального распределения мезопланктонных организмов.

12. Разработанная'аппаратура и методика ее применения внедрена в океанологическую практику. В общей сложности, различные варианты зонда участвовали в 9-и экспедициях. Получены результаты по оценке распределения кормового планктона в промысловых районах ЮВТО и ЩГО, материалы по тонкой вертикальной структуре мезопланктона в мезопелагиали в зонах кислородной недостаточности, исследована динамика суточных миграций планктона, а также мезомасштабная неоднородность горизонтального распределения мезопланктона в поверхностных слоях..

Ш_теме_дассертащга_опуб^оващ_слездщие_работн:

1. Буркальцева М.А., Жаворонков А.И., Лавров Д.Ф., Левашов Д.Е., Прокопчук A.A., Сапожников В.В. Устройство для отбора проб жидкости. Автор.свид. 1562738. // Бюлл. изобретений и открытий, 1990, JH7.

2. Крылов В.В., Левашов Д.Е. Система сбора и обработки

информации зонда "ТРАЛ-4". // Экспресс-информация, сер. "Рыбохозяйственное использование ресурсов Мирового океана", ВЫП.2, М., ВДШТЭИРХ, 1988, С.14-20.

3. Левашов Д.Е., Владимирский С.С. Установка вакуумной прокачки забортной воды "Проток". // Экспресс-информация, сер. "Рыбохозяйственное использование ресурсов Мирового океана", вып.2, М., ЦНШТЭИРХ, 1988, с.25-28.

4. Левашов Д.Е., Ерофеев П.Н. Зондирование мезо- и макро-

планктона./ Современные метода количественной оценки распределения морского планктона. -М: Наука, 1983, с.28-41.

5. Левашов Д.Е..Крылов В.В. Биозонд для оценки вертикального распределения мезопланктона "in situ". III Всесоюзная конференция по морской биологии./ Севастополь, октябрь I98B, тезисы докладов, часть I/ -Киев:, 1988, с.133.

G. Левашов Д.Е., Крылов В.В. Биозонд для оценки размерно-количественных характеристик мезопланктона "in situ ". //Экспресс-информация, сер. "Рыбохозяйственное использование ресурсов Мирового океана", вып.2, М., ШШТЭИРХ, 1988, С.21-24.

7. Левашов Д.Е., Шершнев А.Е., Кузьменко Л.В., Павлова Е.В. Исследование количественного и качественного ' распределения планктона в водной толще оптическими методами. // Вопросы промысловой океанологии Мирового океана. (Тезисы докладов V Всесоюзной конференции 23-25 октября 1979 г.),

. Калининград, 1979, с.183-184.

8..Павлова Е.И., Африкова С.Г., Делало Е.П., Шершнев А.Е., Левашов Д.Е. К вопросу о вертикальных миграциях копепод в черном и Эгейском морях. В сб.: Распределение и поведение морского планктона в связи с микроструктурой вод. -Киев: Наукова думка, 1977, с.28-45.

9. ПвтипаТ.С., Островская H.A., Африкова С.Г., Шершнев

А.Е., Левашов Д.Е. О сравнительных ловпх зоопланктона автоматическим планктонособирателем и планктонными сетями. // Биология моря, вып.42. -Киев: Наук, думка, 1977. -С.39-44.

10. Пионтковский С.А., Левашов Д.Е., Рамазин А.И. Пространственная неоднородность распределения мезопланктона в восточной части тропической Атлантики по данным его непрерывной регистрации. // Экология моря, вып.16. -Киев: Наук.думка, 1982, с.54-60

11. Шершнев А.Е., Левашов Д.Е., Африкова С.Г. К вопросу инструментальной оценки количества и характера распределения планктона в водной толще. -В сб.: Распределение и поведение морского планктона в связи с микроструктурой вод. -Киев.: Наукова думка, 1977, с.16-18.

Подписано к печати 0S-04 91 Заказ 30

Объем/.5 п.л. Формат60x84 1/16 Тираж/ii

BIIIIPO. 107140, В.Красносельская, 17