Оценка поглощения солнечного излучения в Баренцевом море по спутниковым и судовым данным

Для оценки поглощения солнечной энергии в толще морской воды по данным спутниковых сканеров цвета океана необходимо выбрать и настроить алгоритмы расчета спектров показателей поглощения и рассеяния света в морской воде, а также индикатрису рассеяния.
Восстановление полного набора оптических характеристик выполнено с помощью гидрооптических моделей Копелевича (Копелевич 1983) и Мореля (Morel et al., 2002) по спутниковым данным сканеров цвета MODIS и OLCI. Кроме того, использовались судовые данные, полученные на четырех станциях в Баренцевом море в рейсах 83 и 84 НИС «Академик Мстислав Келдыш», выполненных в июне-августе 2021 г. Полученный полный набор первичных оптических характеристик использован для оценки величины поглощения солнечной энергии в толще морской воды в диапазоне ФАР (400 – 700 нм).
Двухпараметрическая модель Копелевича рассеивающих свойств морской воды позволяет найти спектральные зависимости показателя рассеяния и индикатрисы по известным хотя бы для одной длины волны значениям показателя рассеяния и показателя рассеяния назад. В нашем случае для расчета показателя рассеяния назад использовались известные формулы, связывающие яркость выходящего из воды излучения с показателями рассеяния назад и поглощения; показатель рассеяния определялся как разность показателя ослабления, измеренного погружаемым прозрачномером ПУМ-200, и показателя поглощения. Показатель поглощения рассчитывался с помощью алгоритмов GIOP (Werdell et al., 2013). Модель Мореля морской воды первого типа (Case 1) позволяет выразить все первичные оптические характеристики через единственный параметр – концентрацию хлорофилла a. С целью улучшения согласия результатов расчета с данными натурных измерений некоторые параметры модели были изменены.
Моделирование распространения и поглощения солнечной радиации в морской воде проводилось с использованием подхода, основанного на численном решении уравнений переноса излучения для системы атмосфера - поверхность - океан, рассматриваемой как совокупность плоскопараллельных однородных слоев с заданными оптическими свойствами. Для расчета требуемых оптических характеристик, а именно потоков энергии на различных горизонтах использовались методы дискретных ординат и Монте-Карло, причем оба метода показали одинаковый результат. Расчеты были выполнены для каждой из четырех станций с использованием обеих вышеупомянутых гидрооптических моделей, а также для гипотетического случая чистой морской воды.
Проверка правильности модельных расчетов проводилась на основе результатов измерений нисходящего потока энергетической освещенности, выполненных на станциях с помощью спектрорадиометра Ramses. Измеренные вертикальные профили облученностей сравнивались с результатами моделирования. Наилучшее совпадение получено для модифицированной модели Case 1 Мореля. Сравнение значений мгновенной освещенности проводилось для длины волны 530 нм, что соответствует длине волны прямых определений показателя ослабления.
Результаты расчёта показывают, что в исследованном регионе суммарное поглощение света в толще воды слабо зависит от наличия и концентрации взвешенных частиц и растворённых веществ (Glukhovets et al., 2022). Их наличие в морской воде приводит к перераспределению поглощаемой солнечной энергии по глубине, значительно увеличивая поглощаемую долю в верхних слоях водной толщи.
По сравнению с гипотетическим случаем распространения излучения в чистой воде оценен вклад оптически активных компонентов на каждой станции. Наиболее существенное расхождение результатов моделирования для реальной и чистой воды наблюдается на ст. 7044, где по данным прямых измерений получена самая высокая концентрация хлорофилла.
Из результатов расчетов также следует, что рассчитанная величина суммарного поглощения несущественно зависит от того, учитывается или не учитывается при расчете стратификация морской воды.