"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8654
ETF8654 "Fütoplanktoni spektraalsed erineeldumiskoefitsiendid järvedes: algoritmid ja seos veealuse valgusväljaga (1.01.2011−31.12.2014)", Birgot Paavel, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Eesti Mereinstituut.
ETF8654
Fütoplanktoni spektraalsed erineeldumiskoefitsiendid järvedes: algoritmid ja seos veealuse valgusväljaga
Spectral specific absorption coefficients of phytoplankton in lakes:algorithms and relationships with underwater light field
1.01.2011
31.12.2014
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
1. Bio- ja keskkonnateadused1.8. Keskkonnaseisundit ja keskkonnakaitset hõlmavad uuringudT270 Keskkonnatehnoloogia, reostuskontroll1.4. Maateadused ja sellega seotud keskkonnateadused (geoloogia, geofüüsika, mineroloogia, füüsiline geograafia ning teised geoteadused, meteoroloogia ja ning teised atmosfääriteadused, klimatoloogia, okeanograafia, vulkanoloogia, paleoökoloogia50,0
4. Loodusteadused ja tehnika4.2. MaateadusedP420 Petroloogia, mineroloogia, geokeemia 1.4. Maateadused ja sellega seotud keskkonnateadused (geoloogia, geofüüsika, mineroloogia, füüsiline geograafia ning teised geoteadused, meteoroloogia ja ning teised atmosfääriteadused, klimatoloogia, okeanograafia, vulkanoloogia, paleoökoloogia50,0
PerioodSumma
01.01.2011−31.12.20117 200,00 EUR
01.01.2012−31.12.20127 200,00 EUR
01.01.2013−31.12.20137 200,00 EUR
01.01.2014−31.12.20147 200,00 EUR
28 800,00 EUR

Uusim trend kaugseire andmete interpreteerimisel põhineb vee heleduskoefitsiendi modelleeritud spektrite kasutamisel, milleks on vaja teada antud veekogu jaoks tüüpilist fütoplanktoni erineeldumiskoefitsiendi spektrit. Modelleeritud spektrikogude kasutamine peaks võimaldama oluliselt täpsemalt hinnata optiliselt aktiivsete ainete hulka vees kui senised spektrikanalite suhetel põhinevad empiirilised kaugseire algoritmid. Olles uurinud ka puhaste vetikakultuuride erineeldumiskoefitsientide spektreid on plaanis välja selgitada, kas kaugseire abil on võimalik tuvastada uuritavas vees domineerivaid fütoplanktoni rühmi ning teha seda optiliselt nii keerukates vetes kui Eesti järved. Kui puhastes ookeanivetes on kaugseire meetodite kasutamine erinevate probleemide uurimisel suhteliselt laialdane siis optiliselt keerukate sise- ja rannikuvete kaugseire on veel sisuliselt lahendamata ja aktuaalne probleem kogu maailmas. Järvedes ja rannikuvetes on optiliselt aktiivsete ainete (OAS: lahustunud värvunud orgaaniline aine, fütoplankton, tripon) omadused ja hulgad ajas ning ruumis aga niivõrd varieeruvad et mõõtmiste tegemine vee kvaliteedi määramiseks nõuab lihtsalt märgatavalt paremaid tehnilisi võimalusi. Seetõttu on Eesti järved väga heaks optiliste uuringute „testpaigaks“, mis võimaldaks kaugseire algoritmide ja rakenduste edasi arendamist väljaspool kohalikku mastaapi. Käesoleva projekti tulemusena kogutud andmed ja väljatöötatud meetodid läheks ka ülemaailmse ranniku- ja sisevete kaugseire töörühma (mille tegevuses me osaleme) andmebaasi ning aitaks lahendada selle valdkonna teadlaste ees seisvaid probleeme kogu maailmas. Töö tulemused võimaldavad lisaks a) analüüsida veesisese valgusvälja kujunemist (oluline veeorganismide elutegevuse seisukohalt), b) täiustada olemasolevat primaarproduktsiooni määramise arvutusmudelit, c) hinnata järvede ökoloogilist seisundit, d) töötada välja meetodeid optiliselt aktiivsete ainete hulga hindamiseks kaugseire meetodite abil, e) optilisi meetodeid (in situ ja kaugseire)kasutades tuvastada vees domineerivaid vetikarühmi (avastada potentsiaalselt toksiliste liikide õitsenguid).
The latest trend in interpretation remote sensing data is based on using of modelled water reflectance spectra. Knowing of the typical specific absorption coefficient spectrum of phytoplankton of a particular water body is needed to be able to simulate the reflectance spectra. Use of simulated spectral libraries should make it possible to estimate the quantities of optically active substances in water considerably more accurately than it can be done using empirical algorithms (based on relationships between spectral channels). Having studied also the spectra of specific absorption coefficients of pure algal cultures, we intend to determine whether remote sensing can be used for the identification of dominating phytoplankton groups in such optically complex waters as Estonian lakes. While application of remote monitoring methods for research into different problems in clean ocean waters is a relatively wide-spread activity, the remote monitoring of optically complex inland and coastal waters is still essentially an unsolved and topical problem all over the whole world. Variation in time and space of the properties and quantities of optically active substances (OAS: pigmented dissolved organic matter, phytoplankton, tripton) of lakes and coastal waters is so high that measurements for the determination of water quality simply requires much better technical resources. Therefore Estonian lakes are an excellent „testing site“ for optical research, making it possible to develop remote sensing algorithms and applications further outside the local scale. The information gathered and the methods developed as a result of this project would be entered in the database of the global Working Group on Coastal and Inland Waters (in which we are participating) and would help to solve the problems facing researchers of this field in the whole world. Potential results of the project would enable to a) analyse the formation of underwater light field (important in the terms of vital activity of water organisms), b) upgrade existing design formula of primary production, c) estimate ecological conditions of lakes, d) develop new remote sensing methods for inland waters, e) identify dominating phytoplankton classes in the water (detect potentially harmful algal blooms) by means of optics in situ and remote sensing measurements.
Fütoplanktoni erineeldumiskoefitsientide kasutamine kaugseires või primaarproduktsiooni mudelites on võimalik vaid nende veekogude puhul, mille kohta on olemas mõõtmisandmed. Kõike veekogude kohta ei ole see praktiliselt võimalik. Seepärast on otstarbekas kasutada Bricaud jt. (1995) poolt väljatöötatud statistilist erineeldumiskoefitsiendi arvutamise valemit kus sisendiks on klorofüll a kontsentratsioon vees ning lainepikkusest sõltuvad parameetrid A(?) ja B(?). Bricaud jt. (1995) leidsid A(?) ja B(?) väärtused analüüsides puhaste ookeanivete erineeldumiskoefitsientide spektreid, kus klorofüll veeproovides varieerus vahemikus 0.02 kuni 25 mg m-3. Saadud tulemused ei ole aga kasutatavad ei järvedes ega teistes optiliselt keerukamates veekogudes (näiteks Läänemeri), kuna nii järvevete füüsikalised ja keemilised tingimused kui ka nende fütoplanktoni pigmentkoostis on erinev ookeani- ja rannikuvete omadest. Seepärast leitigi A(?) ja B(?) väärtused piirkonnas 400–700 nm tuginedes käesoleva projekti raames teostatud mõõtmistele. Fütoplanktoni looduslike koosluste analüüs näitas, et maikuus olid uuritud järvedes arvukad kold-ja neelvetikad, samas kui ülejäänud kasvuperioodil domineerisid sinivetikad. Saadud tulemus tingis vajaduse välja töötada ka aastaajapõhised algoritmid. Osutus, et mudel Mai“ võimaldab saada erineeldumiskoefitsiendi spektreid, mis on lähedased kevadel mõõdetutele. Mudeliga „Juuli“ kaasnes aga mõõdetud erineeldumise ülehindamine spektri sinises osas ja alahindamine spektri punases osas (ja vastupidi). Seetõttu oleks vaja luua uus mudel, mis võtaks paremini arvesse sinivetikate osakaalu. Võimaliku alternatiivina uurisime ka taksonipõhiste: „koldvetikad“, „neelvetikad“ ja „sinivetikad“ mudelite kasutusvõimalusi. Fütoplanktoni rrineeldumiskoefitsientide parametriseerimine hüpertroofsetes – klorofülli väärtused suuremad kui 150 mg m-3 – järvedes on aga jätkuvalt problemaatiline nõudes suuremat andmebaasi, mis hõlmaks samaaegselt nii klorofülli kontsentratsiooni, fütoplanktoni liigilise koostise kui ka erineeldumiskofitsentide mõõtmistulemusi.