Μελέτη οπτικών ιδιοτήτων των θαλασσίων μαζών σε ολιγοτροφικό περιβάλλον

Abstract

The objective of the PhD thesis titled "Water masses optical properties in an oligotrophic environment" is to study and analyze optical data from the Mediterranean Sea, particularly the eastern Mediterranean sub-basin, which is known for its ultra -oligotrophic conditions. The Mediterranean Sea is recognized to have an oligotrophic environment that becomes more pronounced from west to east and from north to south in the western and eastern sub-basins. Therefore, the southern waters of the eastern sub-basin play a critical role in the study due to their exceptional clarity compared to the world ocean.Analyzing optical properties is a critical factor in comprehending the abundance of suspended particles in the sea. It also contributes to the determination of ocean color, which has been designated as an Essential Climate Variable by the Global Climate Observing System (GCOS). Additionally, these properties have strong correlation with bio-geo-chemical parameters such as Particulate Organic Carbon (POC), Suspended Particle Matter (SPM), Pigments, and chlorophyll-a concentration.The primary data used for the thesis were collected from two oceanographic voyages:i. MSM72: A trans-med oceanographic cruise on board of R/V “Maria S. Merian”. During this cruise oceanographic data were collected at 136 stations of which 63 included marine optics data.ii. Perle-2: An oceanographic cruise which covered the northern Libyan and Cretan Sea on board of R/V “Pourquoia Pas?”. During this cruise oceanographic data were collected at 125 stations of which 25 included marine optics data.The data collected from the cruises include: beam attenuation coefficient (c), particulate backscatter coefficient (bbp), radiometric quantities, volume concentration (VC), mean particle size, and PSD slope.Due to the oligotrophic nature of the study area, the data had to be processed using specialized methodologies. Chlorophyll-a concentration data were utilized to correct the backscatter coefficient data due to the lack of absorption coefficient data. Furthermore, the Hydrolight model was also fed with chlorophyll data to estimate radiometric quantities and, consequently, the apparent optical properties.The data analysis revealed that the values of inherent optical properties and VC and ξ were extremely low in the study area. The circulation dynamics in the northern Levantine, specifically the Rhodes Gyre, appear to affect optical properties measurements. Comparisons of in-situ measurements, satellite data, and Hydrolight modelling results for Rrs were relatively encouraging for wavelengths above 500nm.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή «Μελέτη οπτικών ιδιοτήτων των θαλασσίων μαζών σε ολιγοτροφικό περιβάλλον» στοχεύει στον χαρακτηρισμό του τροφικού χαρακτήρα της Μεσογείου Θάλασσας και πιο ειδικά στην υπό-λεκάνη της ανατολικής Μεσογείου με τη χρήση δεδομένων θαλάσσιας οπτικής.Η μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων της στήλης της θάλασσας αποτελεί σημαντική παράμετρο για τη κατανόηση της αφθονίας των αιωρούμενων σωματιδίων στη θάλασσα. Συμβάλει καθοριστικά στον προσδιορισμό του ωκεάνιου χρώματος το οποίο έχει χαρακτηριστεί ως Ουσιώδη Κλιματολογική Παράμετρος. Επιπρόσθετα έχουν πάρα πολύ καλή τοπική συσχέτιση με μία σειρά βίο – γεω – χημικών παραμέτρων (ενδεικτικά: Σωματιδιακός Οργανικός Άνθρακας (POC), Συγκέντρωση χλωροφύλλη-α). Ιδιαίτερα η ανατολική Μεσόγειος έχει χαρακτηριστεί ως εξαιρετικά ολιγοτροφική.Ο ολιγοτροφικός χαρακτήρας της μεσογείου βρέθηκε πιο έντονος από τα δυτικά προς τα ανατολικά καταλήγοντας σε υπερ – ολιγοτροφικά χαρακτηριστικά στην ανατολική Μεσόγειο. Στις υπό – λεκάνες της δυτικής και ανατολικής μεσογείου ο ολιγοτροφικός χαρακτήρας κλιμακώνεται από τα βόρεια προς τα νότια. Έτσι τα νότια νερά της ανατολικής υπό – λεκάνης καταλήγουν να αποκτούν ιδιαίτερη σημασία καθώς είναι από τα πιο διαυγή στο παγκόσμιο ωκεανό.Το πρώτο βασικό βήμα για την εκπόνηση της διατριβής ήταν η συλλογή ενός πακέτου επιτόπιες δεδομένων θαλάσσιας οπτικής. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν δύο ωκεανογραφικοί πλόες:i. MSM72: Ο πλόας διέσχισε όλη τη Μεσόγειο Θάλασσα και πραγματοποιήθηκε από το R/V «Maria S. Merian». Στο συγκεκριμένο ωκεανογραφικό πλόα υπήρξαν 136 σταθμοί δειγματοληψίας, εκ των οποίων σε 62 ελήφθησαν δεδομένα θαλάσσιας οπτικής.ii. Perle – 2: O πλόας πραγματοποιήθηκε στο βόρεια Λεβαντίνη Πέλαγος και το Κρητικό. Πραγματοποιήθηκε από το R/V «Pourquoia Pas?». Κατά τη διάρκεια του πλόα ελήφθησαν ωκεανογραφικά δεδομένα από 125 σταθμούς εκ των οποίων στους 25 ελήφθησαν δεδομένα θαλάσσιας οπτικής.Συνολικά από τους δύο πλόες προέκυψαν πρωτογενή δεδομένα για τις εξής παραμέτρους: συντελεστής εξασθένισης δέσμης (c, m-1), συντελεστής σωματιδιακής οπισθοσκέδασης (bbp,m-1), ανακλαστικότητα τηλεπισκόπησης (Rrs , sr-1), συγκέντρωση όγκου κατ’όγκο (VC, μl l-1), μέσο μέγεθος σωματιδίων (μm) και κλίση κατανομής μεγέθους σωματιδίων ξ.Εξαιτίας του ολιγοτροφικού χαρακτήρα της περιοχής μελέτης, απαιτήθηκε τα δεδομένα να επεξεργαστούν με μεθοδολογικές προσεγγίσεις ειδικά προσαρμοσμένες στο ολιγοτροφικό περιβάλλον.Τέλος, με δεδομένα χλωροφύλλης τροφοδοτήθηκε και το μοντέλο Hydrolight που υπολογίζει τα ραδιομετρικά μεγέθη και κατά συνέπεια της φαινόμενες οπτικές ιδιότητες μέσω της επίλυσης της εξίσωσης μεταφοράς ακτινοβολίας.Από την ανάλυση των δεδομένων αποδείχθηκε πως οι τιμές των εγγενών οπτικών ιδιοτήτων αλλά και των παραμέτρων σχετικά με την αφθονία των σωματιδίων είναι εξαιρετικά χαμηλές. Ενώ διερευνήθηκε και η σχέση ανάμεσα στις οπτικές ιδιότητες και τις βιογεωχημικές παραμέτρους POC και PN και τη βιολογική παράμετρο της συγκέντρωσης της χλωροφύλλης-α (Tchl-a). Η δυναμική της κυκλοφορίας στη βόρεια Λεβαντίνη, και ειδικά ο κυκλώνας της Ρόδου, φαίνεται πως επηρεάζει τις οπτικές μετρήσεις. Τέλος οι επιτόπιες μετρήσεις της ανακλαστικότητας τηλεπισκόπησης Rrs συγκρίθηκαν με δορυφορικά δεδομένα και με προσομοιώσεις του μοντέλου Hydrolight. Τα ευρήματα ήταν σχετικά ενθαρρυντικά ειδικά για τα μεγάλα μήκη κύματος (λ>500nm).