Badanie zmiennoci widm fluorescencyjnych powierzchniowych wód morskich metod lidarow

Transkrypt

1 mgr Violetta Drozdowska Badanie zmiennoci widm fluorescencyjnych powierzchniowych wód morskich metod lidarow Rozprawa doktorska Instytut Oceanologii PAN, w Sopocie Promotor: dr hab. Tadeusz Król Sopot 5

2 Serdecznie dzikuj Przyjaciołom, a zwłaszcza Joasi Szczuckiej i Mirce Ostrowskiej, za ogromn pomoc i wsparcie, Dzikuj Koleankom i Kolegom z Instytutu Oceanologii PAN za wszelk yczliwo podczas wspólnie przeytych chwil na ldzie i na morzu, Dzikuj Promotorowi za słowa otuchy. 1

3 Spis treci 1. Wstp - cel i teza pracy 4. Wprowadzenie w problematyk zagadnienia 7.1. Woda morska i jej główne składniki 8.. Fluorescencja i jej podstawowe parametry Fluorescencja wody morskiej i warunkujce j czynniki rodowiskowe Ramanowskie rozproszenie wiatła na molekułach wody Charakterystyka stosowanych metod lidarowych Aparatura pomiarowa i metodyka 3.1. Lidarowe pomiary widm fluorescencyjnych in situ wody morskiej Opis lidaru FLS Uycie rozproszenia ramanowskiego wody do normowania danych z pomiarów lidarowych Definicja parametru fluorescencyjnego Charakterystyka ogólna prezentowanych widm fluorescencji wód Pomiary gruboci filmu olejowego na powierzchni wody Opis lidaru FLS-UV Opis metody wyznaczania gruboci filmu olejowego na powierzchni wody 4 4. Wyniki bada eksperymentalnych Charakterystyka regionów w których prowadzono pomiary lidarowe Morze Bałtyckie - południowy Bałtyk Cienina Sund, Kattegat i Skagerrak Morze Północne Morza: Grenlandzkie, Islandzkie i Norweskie Klasyfikacja i interpretacja zarejestrowanych widm fluorescencji Widma fluorescencyjne wody naturalnej mierzone technikami lidarowymi Wpływ właciwoci optycznych wody na jej widma fluorescencji Wpływ zaolejenia powierzchni wody na kształt i natenie widma fluorescencji wody morskiej 7

4 5.. Zmienno widm fluorescencyjnych wody morskiej i korelacje z wybranymi właciwociami optycznymi wody morskiej Interpretacja zrónicowania widm fluorescencyjnych wody morskiej Rozkłady zawartoci substancji fluoryzujcych w badanych wodach Zwizki pomidzy wzgldn koncentracj naturalnych fluoryzujcych składników wody morskiej a właciwociami wody Podsumowanie i wnioski Literatura 17 3

5 1. Wstp - cel i teza pracy Woda morska oprócz molekuł wody i domieszek soli zawiera szereg składników organicznych pochodzenia naturalnego (fitoplankton oraz detryt) oraz antropogenicznych - powstałych w wyniku działalnoci człowieka (zanieczyszczenia organiczne, substancje ropopochodne, fenole i ich pochodne). Ilo i skład materii organicznej znajdujcej si w górnej, przewietlonej warstwie wody odgrywa istotn rol w kształtowaniu właciwoci optycznych wody morskiej. ywy fitoplankton, którego miar moe by koncentracja Chlorofilu a (Chl a), jest najlepszym wskanikiem statusu ekologicznego kadego ekosystemu morskiego (Woniak, 199). Natomiast rozpuszczone substancje organiczne CDOM (z jz. ang.: chromophoric dissolved organic matter optycznie aktywna rozpuszczona materia organiczna), powstałe wskutek degradacji produktów rolin i zwierzt pod wpływem działalnoci bakteryjnej, znajduj si w morzu głównie na skutek transportu przez wody rzeczne. Z powodu duej stabilnoci chemicznej wykorzystywane s one do ledzenia wpływu słodkiej wody rzecznej do morza (Reuter i in., 1993; Parlanti i in., 1997, ). Zanieczyszczenia organiczne wody morskiej mog wprowadza chaos w gospodarce tlenowej organizmów morskich i powodowa due zmiany w składzie gatunkowym fitoplanktonu, a nawet katastrofy biologiczne. Wane jest okrelenie wskaników pozwalajcych na wykrywanie i wielko zmian, jakim ulegaj ekosystemy morskie. Zmiana jakoci wody powodowana zanieczyszczeniami i procesami eutrofizacji jest typowym problemem dotyczcym stref wód przybrzenych oraz mórz czciowo zamknitych. Takim akwenem jest Bałtyk, ulegajcy oddziaływaniom z bardziej słon wod dopływajc z Oceanu Atlantyckiego i wod słodk dopływajc rzekami, który jest głównym obiektem bada w prezentowanej tutaj pracy. Fluorescencj molekuł organicznych w orodku cigłym (np. w wodzie) charakteryzuj szerokie widma wzbudzenia oraz emisji. Przyczyn tego jest silne oddziaływanie molekuł z otoczeniem i powstanie złoonej struktury stanów wzbudzonych. Ze wzgldu na procesy dyssypacji energii obserwuje si przesunicie w stron fal dłuszych widm emisji wzgldem widm absorpcji (wzbudzenia) (Kawski 199). Znajomo właciwoci fluorescencyjnych składników wód morskich (Belin i in., 1993 i 1997; Visser 1984; Yentsch i Yentsch 1979; Broenkow i in 1985; Hilton i in., 1989; Schubert i in., 1989) i analiza indukowanej fluorescencji in situ pozwala na okrelenie wielu organicznych komponentów wód morskich. Zdalnie zarejestrowane, metod lidarow (LIDAR z jez. ang. light detecting 4

6 and ranging), widma fluorescencji in situ wody morskiej mog by normalizowane poprzez wyodrbniany sygnał rozproszenia ramanowskiego na molekułach wody. Pozwala to na okrelenie parametru fluorescencyjnego który jest proporcjonalny do koncentracji substancji fluoryzujcej (Klyshko i Fadeev, 1978; Hoge i Swift, 1981). Jednoczesne badania zasolenia, temperatury i zaolejenia powierzchni wody oraz uzupełniajce pomiary kalibracyjne koncentracji Chl a i składu pigmentów fitoplanktonu pozwalaj na uzyskanie wielkoci zmian biomasy i poznanie właciwoci fluorescencyjnych materii organicznej zawartej w powierzchniowej warstwie mórz (Hengsterman i Reuter 199; Drozdowska i in., ; Dudelzak i in., 1991; Brown i in., 1997; Browell 198; Kaitala i in., 1994; Determann i in., 1994; Patsayeva, 1995 b). Pomiary lidarowe, bezkontaktowe badania laserowo wzbudzanych widm fluorescencji in situ wody, usytuowane s pomidzy tradycyjnymi metodami polegajcymi na praco- i czasochłonnych analizach laboratoryjnych pobranych prób wody, a metodami satelitarnymi opartymi na pasywnej teledetekcji widma reflektancji morza. Pewien obraz zmian właciwoci fluorescencyjnych wód bałtyckich oraz cieniny Sund, Kattegatu i Skagerraku oraz Morza Północnego zawieraj prace Babichenko i Poryvkiny (1991; Babichenko i in., 1993, 1999), Reutera (1986), Koblentz-Mishke (1987) i Dudelzaka (Dudelzak i in.,1991). Wyniki dotychczasowych pomiarów lidarowych nie pozwalaj na dokonanie uogólnie co do charakteru i zmian jakoci wody Morza Bałtyckiego oraz na okrelenie podobiestw i rónic tych wód w odniesieniu do innych europejskich akwenów morskich. Wikszo danych z cytowanych wyej prac odnosi si do małych rejonów Morza Bałtyckiego lecych poza południowym Bałtykiem. Głównym celem rozprawy jest przedstawienie charakterystyki widm fluorescencyjnych powierzchniowych wód morskich i okrelenie ich zmiennoci na tle zmian podstawowych parametrów fizyko-chemicznych wody powierzchniowej (takich jak koncentracja Chl a, zaolejenie powierzchni, zasolenie, itd.). Powysze badania wód rónych europejskich akwenów morskich, a w szczególnoci wód Morza Bałtyckiego, opieraj si na analizie zdalnie zarejestrowanych widm fluorescencyjnych in situ wody morskiej oraz uzupełniajcych pomiarach kalibracyjnych. Ponadto rozprawa ma na celu okrelenie wzgldnych zmian iloci i składu naturalnej materii organicznej wystpujcej w warstwie powierzchniowej morza oraz jej rozmieszczenia w zalenoci od warunków rodowiskowych i hydrologicznych. Ponadto na podstawie wyników powyszych bada bdzie mona okreli zasig wystpowania wód o podobnej charakterystyce biooptycznej, jak równie wpływ obecnoci zanieczyszcze olejowych na 5

7 rejestrowane w wodach Bałtyku zmiany ilociowe i jakociowe wystpujcej materii organicznej. Rozprawa obejmuje nastpujce szczegółowe zadania badawcze: Okrelenie iloci materii organicznej (zawieszonej i rozpuszczonej) w warstwie powierzchniowej morza w oparciu o analiz indukowanych widm fluorescencyjnych in situ warstwy powierzchniowej wody morskiej, Znalezienie korelacji pomidzy parametrem fluorescencyjnym chlorofilu a (Chl a) a koncentracj chlorofilu a i okrelenie rozkładu przestrzennego fitoplanktonu w warstwie powierzchniowej badanych akwenów, Okrelenie rónic wystpujcej rozpuszczonej materii organicznej (CDOM) w rónych akwenach morskich i okrelenie rozkładu przestrzennego CDOM, Okrelenie wystpowania naturalnej materii organicznej w warstwie powierzchniowej morza w odniesieniu do warunków rodowiskowych (zasolenie i zanieczyszczenia organiczne). W dalszej czci rozprawy zostan przedstawione: Opis techniki pomiaru lidarowego, z wszechstronnym wykorzystaniem parametrów technicznych, w badaniach oceanograficznych, Procedura, samodzielnie opracowana, uzyskiwania i analizy widm fluorescencyjnych prezentowanych w niniejszej pracy, Dowiadczenia majce na celu przebadanie wpływu zaolejenia powierzchni wody na natenie pasm rozproszenia ramanowskiego oraz fluorescencji pochodzcej od rozpuszczonej materii organicznej (CDOM) i chlorofilu a w widmie powrotnym, Okrelenie optymalnych długoci fal wzbudzenia i detekcji umoliwiajcych przeprowadzenie bada rodowiska morskiego z uwzgldnieniem jego właciwoci, Dyskusj uycia techniki lidaru fluorescencyjnego do jakociowego i ilociowego badania materii organicznej zawieszonej i rozpuszczonej w wodzie (CDOM, chlorofilu a i innych pigmentów znajdujcych si w fitoplanktonie morskim). Głównym miejscem bada jest południowy obszar Morza Bałtyckiego, gdzie ju od kilku lat autorka wraz ze współpracownikami z Instytutu Oceanologii PAN prowadzi pomiary lidarowe widm fluorescencji warstwy powierzchniowej wody i odpowiednie pomiary kalibracyjne. Ponadto pomiary prowadzono równie na wodach cienin duskich oraz Morza Północnego, Norweskiego i Grenlandzkiego, które to akweny objte były badaniami podczas 6

8 dwóch rejsów polarnych AREX 1 i. Zgromadzony materiał obejmuje zbiór indukowanych widm fluorescencyjnych in situ wody morskiej, charakterystyki takich parametrów jak zasolenie, zaolejenie powierzchni wody, koncentracja Chl a w powierzchniowej warstwie wody. Indukowane widma fluorescencyjne wody morskiej otrzymywane były przy pomocy lidaru fluorescencyjnego FLS-1 (LDI Ltd., Estonia, Tallin), natomiast wykrywanie i szacowanie zanieczyszcze odbywało si przy pomocy lidaru FLS- UV, (LDI Ltd., Estonia, Tallin). Wartoci temperatury i zasolenia mierzone były sond CTD (Seabird 9/11 + ), natomiast kalibracyjne pomiary koncentracji Chl a przeprowadzane były metod fluorymetryczn (Fluorymetr przepływowy M 3 B, Poryvkina i in., 1994; Babichenko i in., ) i spektrofotometryczn (Spektrofotometr 4-1, UNICAM, Woniak i in., 1998).. Wprowadzenie w problematyk zagadnienia Wod morsk charakteryzuje zbiór własnoci fizyko-chemicznych, które odróniaj j od innych wód naturalnych. Parametrami fizycznymi charakteryzujcymi wod morsk, oprócz gstoci, temperatury i zasolenia, s równie rzeczywiste i pozorne właciwoci optyczne morza. Rzeczywiste właciwoci optyczne wody (współczynniki osłabiania c, absorpcji a, rozpraszania b oraz objtociowa funkcja rozpraszania wiatła) wynikaj z fizyko-chemicznych cech naturalnych składników wody morskiej. Natomiast pozorne parametry optyczne morza (funkcje owietlenia wektorowego i dyfuzyjnego osłabiania owietlenia oraz współczynniki dyfuzyjnego osłabiania owietlenia i współczynnik dyfuzyjnego osłabiania radiacji z dowolnego okrelonego kierunku, i in.) kształtowane s poprzez rzeczywiste właciwoci optyczne wody oraz przez strumie wiatła wchodzcy z atmosfery do morza. Zbiór tych współczynników charakteryzuje warunki pionowego przepływu energii wietlnej w morzu i stanowi grup właciwoci optycznych charakteryzujcych dany akwen i objawiajcych si w danych warunkach rodowiskowych (Dera 3). Właciwoci optyczne wody morskiej opisuje si korzystajc najczciej z modelu tzw. morza poziomo uwarstwionego. Zakłada si w nim, e właciwoci optyczne morza w płaszczynie poziomej na danej głbokoci z s stałe i zale tylko od głbokoci z (Jerlov, 1976). Istnieje szereg klasyfikacji optycznych wód morskich przeprowadzanych w oparciu o róne parametry: optyczne, hydrologiczne i biooptyczne. Klasyfikacje te wykorzystuj cechy absorpcyjno-rozpraszajce wód (Jerlov 1976) lub wi współczynnik osłabiania owietlenia odgórnego z koncentracj chlorofilu a (Woniak, 199, 1993). Właciwoci 7

9 optyczne wód otwartego oceanu (WC1) dobrze skorelowane s z optycznymi domieszkami autochtonicznymi zalenymi od np. koncentracji chlorofilu a. W wodach stref przybrzenych i morzach zamknitych tzw. wodach (WC) (Morel i Prieur, 1977) - dodatkowo właciwoci optyczne zwizane s z optycznymi domieszkami alochtonicznymi. Taka klasyfikacja wód dzieli akweny wodne na dwa typy WC1 i WC (z j. ang. Water Case 1 i ) i aktualnie jest najczciej stosowana. A 98% objtoci wód oceanu wiatowego stanowi wody typu WC1. Oznacza to, e właciwoci optyczne tych wód determinuje głównie fitoplankton, który podlega znanemu rytmowi biologicznemu (Parlanti i in., 1997, ; Reuter, 1986; Salyuk i in., 3). Natomiast właciwoci optyczne wód WC okrelaj, obok fitoplanktonu, inne składniki niezalene od iloci i fazy wzrostu fitoplanktonu, których obecno spowodowana jest głównie wnoszeniem do morza przez wody rzeczne rónorodnej materii organicznej i nieorganicznej, która ulegajc rónym procesom fizycznym, biologicznym i chemicznym powoduje znaczn rónorodno zarówno rzeczywistych jak i pozornych właciwoci optycznych wód. Std wida jak istotna dla okrelenia charakterystyki wody jest znajomo wystpujcej w niej materii (iloci, jakoci i rozkładu)..1. Woda morska i jej główne składniki O właciwociach optycznych wód morskich decyduj wszystkie składniki znajdujce si w ich górnej, przewietlonej warstwie zwanej warstw eufotyczn. Grubo warstwy eufotycznej definiowana jest jako głboko, do której dociera co najmniej 1% całkowitego owietlenia padajcego na powierzchni wody. Do składników tych nale przede wszystkim: plankton, rozpuszczona i zawieszona materia organiczna i nieorganiczna, oraz zanieczyszczenia organiczne, (rysunek.1). Fitoplankton bdcy pierwszym ogniwem łacucha pokarmowego w rodowisku wodnym, stanowi pierwotn baz pokarmow dla zooplanktonu i innych organizmów wodnych. Uwaany jest on za istotny wskanik zdrowia i kondycji, w jakiej znajduje si ekosystem wodny. Fitoplankton pełni funkcj zasadnicz w procesie produkcji pierwotnej materii organicznej, czyli w jednym z waniejszych procesów w przyrodzie - procesie przetwarzania materii nieorganicznej w materi organiczn na drodze fotosyntezy. Dlatego od lat prowadzone s intensywne badania produkcji pierwotnej mórz oraz jej ilociowe oszacowania (m. in. Steeman-Nielsen, 1975; Ficek 1; Ostrowska 1; Woniak i in., i 3). 8

10 Materia organiczna w morzu Naturalne substancje organiczne Zanieczyszczenia organiczne (produkty procesów biotechnologicznych) wiee i niecałkowicie rozłoone pozostałoci rolin i zwierzt (w tym fitoplankton) Substancje próchniczne humusy Kwasy humusowe Kwasy fulwowe Huminy Substancje białkowe Wglowodory Tłuszcze Parafiny Taniny Ligniny Rysunek.1 Skład materii organicznej w wodzie morskiej, w tym fitoplankton. (Babichenko 1). W skład materii organicznej fitoplanktonu wchodz głównie białka (wagowo ok. 5 %) i lipidy (ok. 3-5 %) (Parsons i in., 1977). Natomiast udział pigmentów w składzie materii komórek waha si w granicach od % do 1 % (Koblentz-Mishke, 1987). Pomimo to pigmenty s główn, a praktycznie jedyn grup absorbentów wiatła widzialnego decydujc o widmie absorpcji glonów w widzialnym pamie fal elektromagnetycznych. Wpływ pozostałych składników organicznych na absorpcj promieniowania elektromagnetycznego przez komórki fitoplanktonu uwidacznia si praktycznie w ultrafiolecie (Jerlov, 1976; Dera, 3). Dzieje si tak, poniewa pigmenty fotosyntetyczne posiadaj zdecydowanie wicej chromoforów optycznie czynnych w obszarze promieniowania widzialnego. Pochłanianie wiatła przez te pigmenty jest wic wane nie tylko dlatego, e stymuluje proces morskiej fotosyntezy, ale równie istotnie wpływa na właciwoci absorpcyjne wód morskich w widzialnym przedziale widma (Woniak 1993). W skrajnych przypadkach (akweny supereutroficzne) pigmenty fitoplanktonu mog pochłania nawet ok. 5 % energii promieniowania widzialnego wnikajcego do akwenu (Kaczmarek i Dera, 1998). Proces produkcji pierwotnej zachodzi przy istotnym współudziale pigmentów fotosyntetycznych, majcych za zadanie przechwycenie wiatła słonecznego wnikajcego do wody, niezbdnego dla procesu fotosyntezy bd te ochrony przed destrukcyjnym dla czsteczek chlorofilowych nadmiernym owietleniem. Wszystkie fotosyntetyczne organizmy, włczajc w to fitoplankton (algi i cyanobakterie) zawieraj Chl a. Std koncentracja Chl a jest uwaana za wskanik biomasy fitoplanktonu (Parsons i in., 1964; Hoge i Swift 1986; Matorin i in., 4; Leeben, ; Fadeev, 199; Fadeev i in., 1996). Pozostałe pigmenty 9

11 wspomagaj proces fotosyntezy zdobywajc energi potrzebn do fotosyntezy poprzez pochłanianie fotonów nie absorbowanych bezporednio przez Chl a (Rudiger, 198; Rowan, 1989; Woniak i in.,, 3; Majchrowski i in., ; Majchrowski 1; Ficek i in., 4; Babichenko i in., 199 i ), ochraniajc Chl a przed nadmiernym owietleniem bd uczestniczc w procesie transportu elektronów. I tak, najwaniejszymi pigmentami pomocniczymi wspomagajcymi proces fotosyntezy poprzez zbieranie wiatła s chlorofile, karotenoidy oraz fikobiliny, które pełni rol anten. Chlorofile (Chl b i Chl c) absorbuj w zakresie niebieskim i czerwonym widma wiatła. Najlepiej poznanymi karotenoidami zbierajcymi wiatło s: Fukoksantyna i Peridina, a fikobilinami: Fikoerytryna i Fikocyjanina. Karotenoidy absorbuj wiatło zielone, Fikobiliny absorbuj wiatło w niebiesko-zielonym obszarze widma i ponadto posiadaj właciwoci luminescencyjne (posiadaj charakterystyczne wskie pasma fluorescencji). Rol pigmentów ochronnych, ochraniajcych chlorofile przed ich destrukcj bd degradacj pod wpływem intensywnego promieniowania, pełni kilka form karotenoidów. Mechanizm ochronny umoliwia fitoplanktonowi dostosowanie si do gwałtownych zmian pola wiatła i pozwala na dokonanie tzw. procedur fotoochronnych, tj. zmiany zawartoci i składu pigmentów gdy owietlenie osiga warto niebezpieczn dla Chl a i moe spowodowa jego destrukcj (Demers i in., 1991). Kolejn grup pigmentów absorbujcych wiatło stanowi feopigmenty (Yentsh i in., 1979 i 1985) pełnice funkcje układów porednich w procesie transportu elektronów. Energia wiatła przechwyconego przez pigmenty pomocnicze moe by uyta w łacuchu elektronowym aparatu fotosyntetycznego lub te wypromieniowana jako wiatło fluorescencyjne, w wikszych długociach fal. Drugim wanym parametrem odpowiedzialnym za optyczne właciwoci wód jest ilo i skład optycznie czynnej rozpuszczonej materii organicznej CDOM. Według definicji CDOM s to rozpuszczone oraz zawieszone w wodzie substancje organiczne o rozmiarach mniejszych od.45 µm. Tylko 3% CDOM jest chemicznie sklasyfikowanych. Stanowi je: wglowodory, aminokwasy i inne zidentyfikowane komponenty. Natomiast pozostałe 7% stanowi niesklasyfikowane chemicznie substancje próchniczne (humusowe) dzielone na kwasy próchniczne i fulwowe (Babichenko i in., 1998; Filippova i in., 1). Jest to mieszanina trwałych, głównie polimerowych organicznych molekuł powstałych wskutek degradacji produktów rolin i zwierzt pod wpływem bakterii. Charakteryzuj si one eksponencjalnie rosnc wartoci współczynnika absorpcji ze wzrostem czstotliwoci w zakresie od wiatła widzialnego do ultrafioletu. Z powodu ich duej stabilnoci chemicznej i charakterystycznej emisji fluorescencji w wietle niebieskim, przy wzbudzeniu wiatłem UV, 1

12 czsto traktuje si je jako fluorescencyjne znaczniki mas wodnych w badaniach wpływu i mieszania si wód rzecznych z morskimi w strefach brzegowych (Smart i in., 1976; Reuter i in., 1993; Vodacek i in., 1994 i 1995; Fadeev V V, 1999, Fadeev i in., 1999; Dolenko i in., ; McKee, ; Hansell i Carlson, ). Substancje ółte znajdujce si w strefach przybrzenych oraz w otwartych wodach morskich maj róne ródła pochodzenia oraz róny skład chemiczny. Jednym ze ródeł pochodzenia CDOM w morzu s docierajce rzekami obumarłe organizmy i produkty przez nie wydalane powstałe w glebie i w wodzie gruntowej. Innym ródłem substancji ółtych jest tworzenie si w morzu produktów rozkładu planktonu morskiego. Na potwierdzenie tego w rejonach intensywnych zakwitów fitoplanktonu na Morzu Północnym (Doerffer i Amman, 1984) i na Morzu ródziemnym (Momzikoff i in., 199) zarejestrowano zwikszenie si iloci CDOM i jednoczenie intensywniejsz absorpcj wiatła UV. Cigle trwaj intensywne badania nad rozrónieniem właciwoci spektralnych charakteryzujcych CDOM pochodzenia morskiego i kontynentalnego (Reuter, 1986). Zanieczyszczenie organiczne rodowiska wodnego cigle wzrasta wraz ze wzrostem stopnia uprzemysłowienia i rozwojem rolnictwa. Zwizki organiczne zanieczyszczajce wod morsk to głównie oleje i inne produkty ropopochodne, fenole i ich pochodne oraz wieloczsteczkowe aromatyczne wglowodory (PAHs), itd. Wraliwo rodowiska morskiego na oleje nie jest jednakowa w kadym rejonie. Najbardziej naraone s strefy brzegowe oraz wypłycenia ławice, których dno gdzieniegdzie zasiedlone jest rzadkimi rodzajami flory i fauny, znajduj si tam miejsca tarliskowe, eruje dua ilo ptaków, prowadzi si intensywne połowy ryb. Std istnieje konieczno kontroli zaolejenia powierzchni wody (Visser, 197; Hengstermann i Reuter; 199). W Bałtyku głównym ródłem zanieczyszcze s obszary uprzemysłowione (6% wszystkich zanieczyszcze), tereny rolnicze (15%). Zgodnie z rónymi oszacowaniami wypadki morskie stanowi od,3 % do 4 % całkowitego dopływu, natomiast nieawaryjna aktywno eglugowa (zrzuty operacyjne), od,3 % do 1 %, i inne (Enckell, 1986; Industrial..., 199; Otremba, 1999)... Fluorescencja i jej podstawowe parametry Podstaw eksperymentaln prezentowanej pracy stanowi zjawisko fotoluminescencji, czyli luminescencji wywołanej absorpcj promieniowania wietlnego, w zakresie wiatła widzialnego i ultrafioletu. Fotoluminescencj charakteryzuj nastpujce parametry: widma absorpcji i emisji, wydajno fluorescencji, czas połowiczny zaniku wiecenia oraz anizotropia emisji. 11

13 Procesy jakim ulega molekuła po zaabsorbowaniu wiatła przedstawione s schematycznie na uproszczonym diagramie Jabłoskiego (rysunek.). Układ elektronowych i oscylacyjno-rotacyjnych poziomów energetycznych, typowo dla molekuł organicznych stanowi szerokie pasma energetyczne. W efekcie zaabsorbowania przez molekuł kwantu wiatła przechodzi ona w stan wzbudzony (obsadzane s stany o wikszej energii). Absorpcja wiatła zaley od struktury poziomów energetycznych molekuły. Tak wic i długoci fal wietlnych absorbowanych przez molekuł i wydajno tego procesu s reprezentowane przez widmo absorpcji i widmo wzbudzenia. Proces szybkiego przejcia molekuły do stanu podstawowego po wzbudzeniu, któremu towarzyszy emisja wiatła (S 1 do S ), jest zwany fluorescencj bd fluorescencj opónion, gdy zaabsorbowana energia migrowała pomidzy Relaksacja oscylacyjna S Konwersja wewntrzna (1-1 s) Konwersja interkombinacyjna S 1 Absorpcja (1-15 s) Fluorescencja ( s) Fluorescencja opóniona ( s) Fosforescencja (1-3 s - 1s) T 1 S Rysunek. Diagram Jabłoskiego. Schemat poziomów energetycznych i procesów transferu energii w molekułach (S stan podstawowy, S 1, S stany wzbudzone odpowiednio pierwszy i drugi, T 1 stan metastabilny), procesy bezpromieniste zaznaczone s lini przerywan a promieniste lini cigł. rónymi molekułami lub stanami (czas trwania procesu rzdu s), a proces dłuszy (rzdu 1-3 s) zwany jest fosforescencj. Rozkład natenia emitowanego wiatła (widmo fluorescencji) jest przedstawiany w funkcji długoci fal lub liczb falowych. Oprócz przej promienistych maj miejsce bezpromieniste procesy dyssypacji energii (konwersja wewntrzna, oddziaływania midzymolekularne). 1

14 .3. Fluorescencja wody morskiej i warunkujce j czynniki rodowiskowe Zwykle ciała absorbujce energi promienist posiadaj zdolno do fluorescencji. Jest ona uwarunkowana rónymi czynnikami fizycznymi i fizykochemicznymi (temperatura, stan skupienia, stenie, otoczenie molekuł, domieszki, rozpuszczalnik itd.). Szereg substancji fluoryzuje tylko w bardzo niskiej temperaturze lub podczas zamarzania roztworów (Kawski, 199; Kcki, 1998). Znajomo specyficznych widm fluorescencji naturalnych składników wody morskiej - takich jak pigmenty fotosyntetyczne fitoplanktonu (Tabela.I), CDOM i substancje ropopochodne - pozwala na wyizolowanie tych pasm z szerokich widm fluorescencji wody morskiej (Determan i in., 1994). W czystych wodach morskich emisja fluorescencji pochodzi głównie od CDOM i pigmentów fitoplanktonu, std wykorzystanie indukowanej fluorescencji pozwala wykrywa te składniki w warunkach naturalnych (Parlanti i in., 1997; ; Reuter, 1986; Salyuk i in., 3). Tabela..I. Długoci fal odpowiadajce maksimom pasm wzbudzenia i emisji fluorescencji głównych pigmentów fitoplanktonu (w oparciu o Yentsch i Yentsch, 1979; SooHoo i in, 1986; Broenkow i in, 1985; Rowan, 1989). Długo fali wiatła wzbudzajcego, nm Długo fali wiatła emisji, nm Pigment Chl a Chl c Chl b Fukoksantyna Peridina , 68 Fikoerytryna , 68 Fikocyjanina Fluorescencja fitoplanktonu opiera si na zdolnoci pigmentów fitoplanktonu do absorbowania i emitowania wiatła o okrelonych charakterystycznych długociach fal. Widma absorpcji i emisji rónych kultur fitoplanktonu (glonów) róni si cechami zwizanymi przede wszystkim ze składem ich pigmentów (chlorofile Chl a, b i c, fikobiliny Fikoerytryna i Fikocyjanina, karotenoidy Fukoksantyna i Peridina) i procesami 13

15 wewntrznego transferu energii wietlnej midzy pigmentami - od pigmentów pomocniczych (anten) do Chl a (Yentsch i Yentsch 1979; Broenkow i in 1985). Pigmenty pomocnicze nie wykazujce własnej fluorescencji in vivo (takie jak: Chl b, Chl c i karotenoidy) znane s z tego, e energia przez nie absorbowana jest transferowana do Chl a i moe powodowa jego fluorescencj (Hilton i in., 1989). Ponadto feofityny dodatkowo wykazuj w wietle widzialnym właciwoci fluorescencyjne in vivo: Fikoerytryna z maksimum emisji w nm i Fikocyjanina z maksimum w 65 nm. Pigmenty fotoochronne nie bior udziału w procesie transportu energii wietlnej do Chl a i nie fluoryzuj. Chl a, bdcy podstawowym fluoryzujcym pigmentem fitoplanktonu, charakteryzuje si typowym pasmem emisji fluorescencji z maksimum w 68 nm. Widma wzbudzenia jego fluorescencji, przy wzbudzaniu wiatłem o długociach fal lecych w zakresie widzialnym (4 nm 64 nm), przedstawiaj pasma emisji fluorescencji Chl a wzbudzonej bezporednio wiatłem niebieskim i pasma fluorescencji uczulonej wzbudzonej poprzez pigmenty pomocnicze - absorbujce fotony wiatła widzialnego i przekazujce ich energi do Chl a (Chl b, Chl c, karotenoidy i feofityny) (Cerovic i in., 1998; Voet i in., 1999), rysunek.3. natenie fluorescencji w 68 nm, jedn. wzgl. (filtr: max =68 nm, =1 nm) długo fali, nm Chl a Chl c Chl b / Karotenoidy Fikoerytryna Fikocyjanina Rysunek.3 Widma wzbudzenia fluorescencji Chl a, uzyskane poprzez wzbudzanie rónych pigmentów fotosyntetycznych (kultur fitoplanktonu) i rejestrowane przy uyciu filtru interferencyjnego ( λ=1 nm) przepuszczajcego wiatło o długoci fali 68 nm. Kolejnym składnikiem wody morskiej, wykazujcym właciwoci fluorescencyjne w wietle widzialnym, jest rozpuszczona materia organiczna, CDOM, a w szczególnoci jej frakcje humusowe (inaczej substancje ółte lub Gelbstoff). CDOM silnie pochłaniaj promieniowanie w zakresie UV i niebieskim. Widmo fluorescencji CDOM pochodzce z 14

16 rónych rejonów mórz, wykazuje w zakresie widzialnym zmienno wiadczc o rónorodnej budowie chemicznej poszczególnych zwizków, zrónicowanych pod wzgldem struktury wiza i składu molekuł. Na podstawie opublikowanych wyników laboratoryjnych i bada właciwoci fotoluminescencyjnych CDOM znanych jest kilka jej zasadniczych cech: substancje humusowe o wysokiej liczbie molekularnej wykazuj przesunicie widma fluorescencji i absorpcji w stron długofalow z jednoczesn nisz wydajnoci kwantow fluorescencji wzgldem substancji humusowych o niskiej liczbie molekularnej, które charakteryzuje przesunicie widm w stron krótkofalow i dua wydajno kwantowa fluorescencji. Co wicej, w wodach przybrzenych wystpuj substancje próchniczne o niskiej liczbie molekularnej podczas gdy wody otwarte zawieraj substancje próchniczne o wysokiej liczbie molekularnej (Belin i in 1993 i 1997; Patsayeva i in., 4). Ponadto naley zaznaczy, e prowadzono badania w Zatoce Pomorskiej w których poszukiwano współzalenoci pomidzy widmem absorpcji i fluorescencji. Wyniki tych bada nie potwierdziły w zadowalajcym stopniu istnienia takiej zalenoci, czyli zrby molekuł, które absorbuj i które fluoryzuj nie s tymi samymi komponentami (Drozdowska i Kowalczuk, 1999). Z powyszego wynika, e zarówno długo fali odpowiadajcej maksimum pasma fluorescencji jak i szeroko widma fluorescencji CDOM mog by uyte jako wyznaczniki rozkładu masy molekularnej fluoryzujcej materii organicznej. Stosujc stał długo fali wzbudzajcej spodziewamy si otrzyma widmo fluorescencji o znanym kształcie. Ponadto natenie fluorescencji (lub parametr fluorescencyjny) lub współczynniki absorpcji bd osłabiania wiatła mog słuy za miar iloci wystpujcych substancji ółtych. Wyniki bada wykazały, e skład CDOM ulega przestrzennej i sezonowej zmiennoci, która konsekwentnie przejawia si zmianami w widmach fluorescencji (Visser 1984; Parlanti i in., 1997; Patsayeva i in., 1b i 4). Ponadto badano kilka zewntrznych czynników takich jak temperatura, kwasowo (ph) i jony cikich metali, gdy podejrzewano, e mog wpływa na charakterystyk fluorescencji CDOM (Smart i in., 1976; Reuter i in., 1993) i wykazano, e wpływ tych czynników na zmiany kształtu widm fluorescencji jest prawie niezauwaalny, natomiast natenie fluorescencji CDOM zmienia si w zakresie do 1 %. Zanieczyszczenia organiczne wód morskich to przede wszystkim substancje ropopochodne i pochodne fenolu, czyli zwizki aromatyczne i wieloskładnikowe. W zwizku z podobiestwem w ich budowie, widma fluorescencyjne rónych zanieczyszcze wykazuj due podobiestwo. Procesy mieszania, rozpuszczania, formowania si emulsji, parowania, zachodzenia reakcji chemicznych, itd. mog powodowa zmiany w widmie fluorescencji tych 15

17 zwizków. Zarówno natenie jak i kształt widm emisji ulega zmianom. Utrudnia to zadanie wykorzystania fluorescencji zanieczyszcze do ich wykrywania i identyfikowania. Jednake fluorescencja zanieczyszcze organicznych powinna by uwzgldniona i traktowana jako tło w widmie fluorescencji wody morskiej. Charakterystyki fluorescencji fitoplanktonu (głównie natenie fluorescencji) mog si zmienia pod wpływem zmian warunków rodowiska. Głównymi czynnikami wpływajcymi na fluorescencj s dostpno azotu i warunki owietleniowe (SooHoo i in., 1986; Mitchell i Kiefer, 1988; Johnsen i Sakshang, 1996). Istotny wpływ na fluorescencj fitoplanktonu ma równie zawarto fosforu, elaza, a take zasolenie i temperatura wody (Geider i in., 1993). Brak azotu (stres azotowy) powoduje spadek koncentracji Chl a w komórkach fitoplanktonu i idce za tym zmiany ich właciwoci fotoluminescencyjnych. W warunkach braku azotu zauwaono spadek koncentracji take pigmentów fotoochronnych, fosforu i elaza (Geider i in, 1993). Ponadto w rónych kulturach fitoplanktonowych zaobserwowano zmiany koncentracji pigmentów pomocniczych wzgldem Chl a (Sosik i Mitchell, 1991; Leeben, ). Poniewa fluorescencja Chl a zaley od koncentracji pigmentów, ich właciwoci absorpcyjnych, wydajnoci procesów transportu i konwersji energii fotonów w aparacie fotosyntetycznym (Neori i in., 1988) to zmiany w dostpnoci zwizków azotowych wpływaj na zmiany charakterystyk fluorescencyjnych fitoplanktonu. Stosunek natenia in vivo fluorescencji Chl a do jego koncentracji (tzw. specyficzna fluorescencja Chl a) jest miar stresu fizjologicznego organizmów fitoplanktonowych i stosunek ten ronie, gdy brakuje azotu lub elaza (Kiefer, 1973; Geider i in., 1993). Zmiany warunków owietleniowych oddziałuj na funkcjonowanie aparatu fotosyntetycznego i powoduj róne reakcje fizjologiczne komórek (Majchrowski i Ostrowska, ). Powoduje to zmiany takich parametrów jak (1) wydajno fluorescencji, () rozmiar i upakowanie jednostek fotosyntetycznych, (3) skład i ilo pigmentów oraz (4) skład chemiczny i aktywno enzymów towarzyszcych fotosyntezie (Gilstad i in., 1993; Dera, 1995; Majchrowski, 1). Badania wykazały, e komórki zaadaptowane do warunków słabego owietlenia posiadaj 3 razy wicej pigmentów ni komórki zaadaptowane do duego natenia owietlenia. Stosunek koncentracji pigmentów pomocniczych do koncentracji Chl a zaley od składu gatunkowego fitoplanktonu. Dodatkowo wykazano, e stosunek natenia fluorescencji Chl a do koncentracji Chl a jest w przyblieniu stały dla rónych nate owietlenia (Prezelin, 198; Mitchell i Kiefer, 1988). 16

18 Techniki okrelania składu pigmentów fitoplanktonu poprzez badanie jego fluorescencji in vivo s powszechnie stosowane. Najczciej wykorzystuje si do tego metod fluorymetryczn (Yentsch i Phinney1985; Ostrowska, 1) zastosowan dla pobranych z morza próbek wody morskiej lub poprzez zanurzenie fluorymetru w wodzie. Aby uzyska informacje o koncentracji pigmentów, na podstawie zarejestrowanych zdalnie widm fluorescencji indukowanej laserem, stosuje si algorytmy pozwalajce na przeprowadzenie analizy nachodzcych na siebie pasm emisji (Barbini i in., 1)..4. Ramanowskie rozproszenie wiatła na molekułach wody Dowiadczalnego odkrycia zjawiska, przewidzianego przez teori ju w 193 r. z której wynikało, e w promieniowaniu rozproszonym obok fotonów o energii fali wiatła padajcego o energii h ν powinny pojawi si równie fotony o czstociach ν ±ν R, dokonał w 198 r. fizyk hinduski Chandrasekhara Venkata Raman, od którego wziło ono nazw (Kcki, 1998). Wyjanienie procesu powstawania nieelastycznego rozpraszania wiatła w orodku, tzw. rozpraszania ramanowskiego mona znale w wielu podrcznikach i publikacjach (Demtröder, 1993; Kcki, 1998). W rozproszeniu Ramana, cz wiatła padajcego o czstotliwoci ν ulega absorpcji i reemisji, w rezultacie powstaje wiatło rozproszone o czstoci ν ± s = ν ν R, gdzie R ν jest przesuniciem ramanowskim zwizanym z energi pochłonit najczciej przez drganie oscylacyjno rotacyjne molekuły. Zjawisko rozproszenia ramanowskiego promieniowania słonecznego na molekułach wody jest procesem wpływajcym take na rozkład spektralny podwodnego pola wiatła w oceanie (Desiderio, ; Gordon, 1999). Na skutek zaindukowania drgajcego elektrycznego momentu dipolowego molekuła wysyła w przestrze promieniowanie rozproszone, którego czsto jest taka sama jak promieniowanie padajce. Ten typ rozpraszania nazywa si rozpraszaniem rayleighowskim. Promieniowanie o czstoci ν ν R lub ν +ν R (odpowiednio pasmo stokesowskie i antystokesowskie) powstaje na skutek pochłonicia przez molekuł kwantu energii wiatła padajcego i reemisji kwantu wiatła, którego energia jest zwikszona lub zmniejszona o energi drgania własnego lub wirtualnego molekuły. Znacznie czciej zachodzi dyssypacja czci energii wiatła padajcego, w wyniku czego pasmo o czstoci ν ν R w widmie 17

19 rozproszonym jest silniejsze od pasma o czstotliwoci przedstawi na schemacie poziomów energetycznych molekuły, rysunek.4. ν +ν R Proces ten mona Rozproszenie Ramana pochodzce od nieelastycznego rozpraszania wiatła na molekułach wody, emitowane przez oscylacyjne wizanie O-H ciekłej wody, przesunite o Rysunek.4 Schemat przej ramanowskich i odpowiadajce im widmo. E i E 1 poziomy energetyczne molekuły, odpowiednio podstawowy i wzbudzony, ν i ν poziomy oscylacyjne nalece do poziomów energetycznych, odpowiednio E i E cm -1 wzgldem wiatła wzbudzajcego zaley wyłcznie od współczynników pochłaniania wiatła przez orodek, gdy koncentracja molekuł wody n, jest praktycznie w z stała. Przekrój czynny molekuł wody na rozpraszanie Ramana równie ma warto stał. Temperatura i zasolenie modyfikuj kształt pasma emisji ramanowskiej, jednak nie maj 18

20 znaczcego wpływu na całkowite natenie całego pasma (Determann i in., 1994; Raimondi i Cecchi, 1995; Gordon, 1999). Natenie pasma rozproszenia ramanowskiego jest wyznacznikiem iloci molekuł wody, które rozpraszały fotony wiatła. Pozwala to wyeliminowa wpływ zewntrznych czynników rodowiska (przezroczysto wody, stan powierzchni wody) na sumaryczne widmo powrotne otrzymywane zdaln metod laserow. Fluorescencja normalizowana wzgldem natenia rozproszenia Ramana (parametr fluorescencyjny) moe by traktowana jako wielko zalena wyłcznie od wydajnoci kwantowej fluorescencji substancji fluoryzujcej, czyli jej koncentracji i przekroju czynnego na fluorescencj..5. Charakterystyka stosowanych metod lidarowych Lidary znajduj bardzo szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach dotyczcych badania rodowiska wodnego. Głównymi tego powodami s wysoka czuło oraz moliwoci pracy w trybie zdalnym i przeprowadzania szybkich analiz bez koniecznoci czasochłonnego analizowania pobranych próbek wody. Dodatkowym atutem jest moliwo pracy w trybie cigłym, który jest niezbdny do wykrywania zanieczyszcze czy krótko-okresowych odchyle dotyczcych rónych jakociowych parametrów wody. Wanymi walorami pomiarów lidarowych s: Impulsy wiatła (w zakresie UV i wiatła widzialnego) s skolimowane, monochromatyczne i o duej mocy - co jest konieczne w przypadku badania pigmentów fitoplanktonowych. Impulsy wiatła powrotnego s bramkowane czasowo - co pozwala na rejestrowanie i badanie procesów emitujcych wiatło o dowolnie długim czasie ycia. Wpływ atmosfery na rozchodzcy si sygnał jest tak mały, e w warunkach czystej atmosfery w widzialnym zakresie widma i na nieduych odległociach moe by pomijalny. Otrzymywanie wyników pomiarów w trybie natychmiastowym real-time. Oddziaływania czynników fizycznych, chemicznych i biologicznych wystpujcych w ekosystemie s bardzo rónorodne, złoone i zmienne w czasie. Pomiar lidarowy umoliwia rejestracj chwilowych zmian zachodzcych w rodowisku wodnym. 19