影響艦船尾流生物致光的海洋環(huán)境要素研究

曹 靜,王江安,羅華強(qiáng)

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430033;2.海軍工程大學(xué)兵器系,湖北 武漢 430033;3.湛江基地軍械修理廠,廣東 湛江 524009)

0 引 言

艦船尾流生物致光是指水面艦船或潛艇經(jīng)過(guò)富含發(fā)光生物的海域時(shí),由于螺旋槳的機(jī)械擾動(dòng)產(chǎn)生的渦流刺激發(fā)光生物產(chǎn)生一段時(shí)間的持續(xù)發(fā)光,從而在艦船尾部和航行區(qū)域留下明顯的發(fā)光軌跡的過(guò)程[1],通常又可以把艦船尾部的這條含有發(fā)光生物的發(fā)光帶子稱為生物光尾流。生物光尾流的研究可為水下目標(biāo)探測(cè)提供1種新的技術(shù)手段[2],可應(yīng)用在艦艇尾跡遙感、反潛作戰(zhàn)、近海岸反蛙人預(yù)警等軍事領(lǐng)域;同時(shí)也可應(yīng)用在海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)、海洋搜救、魚群探測(cè)、海洋初級(jí)生產(chǎn)力監(jiān)測(cè)等民用領(lǐng)域。

艦船生物光尾流的強(qiáng)度、幾何特性、光譜特征、時(shí)間特征、擴(kuò)展特征與艦船的航速、航深等因素相關(guān)。而在外界機(jī)械擾動(dòng)因素一定的情況下,這種尾流發(fā)光的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間受到艦船經(jīng)過(guò)的海域各種海洋環(huán)境要素的影響,因此研究影響生物致光的海洋環(huán)境要素對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè),提高探測(cè)發(fā)現(xiàn)敵方艦船的能力有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 生物發(fā)光機(jī)理

生物發(fā)光是廣泛存在的1種自然現(xiàn)象[3],在海洋生物中尤為普遍,大約80%的海洋生物如夜光蟲、細(xì)菌、甲藻、磷蝦、介形類海螢科、水母、火體蟲等不僅在夜晚能自發(fā)發(fā)光,而且在海水的機(jī)械擾動(dòng)、海水中化學(xué)成份的波動(dòng)、壓力突變、超聲波、電磁場(chǎng)和激光等刺激時(shí),都會(huì)有閃光反應(yīng),強(qiáng)度比自發(fā)發(fā)光要強(qiáng)得多,發(fā)光在近紫外的可見(jiàn)光波段(450～480 nm),在黑暗的條件下肉眼也可以看見(jiàn)。

生物發(fā)光機(jī)理是發(fā)光生物體自身內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果,主要的反應(yīng)過(guò)程是:發(fā)光生物體內(nèi)含有造亮分子蟲熒光素與氧接觸瞬間氧化,以光的形式釋放出能量,同時(shí)體內(nèi)的熒光酶的物質(zhì)控制細(xì)胞中的反應(yīng)速度。尾流刺激鞭毛類生物發(fā)光的主要原因是這種真核生物的細(xì)胞壁很敏感,當(dāng)受到剪應(yīng)力大于1 dyn/cm2且單位體積內(nèi)生物數(shù)量大于100個(gè)/L[4]時(shí),尾流產(chǎn)生的生物發(fā)光可照亮尾流場(chǎng)中的游動(dòng)物體。

大多數(shù)的鞭毛蟲類發(fā)光浮游真核生物在1次發(fā)光過(guò)程中要發(fā)出6×108個(gè)光子,持續(xù)的時(shí)間大約為0.1 s,更大型的生物如水母1 s會(huì)發(fā)出2×1011個(gè)光子,有時(shí)候發(fā)光能持續(xù)幾十秒鐘,生物發(fā)光的強(qiáng)度一般為102～103cd/cm2/s。海洋中的生物發(fā)光可分為3種類型,即火花型(閃耀型)、彌漫型和閃光型?；鸹ㄐ桶l(fā)光是由小型或微型的發(fā)光浮游植物受到刺激后引起的發(fā)光;彌漫型發(fā)光主要是由發(fā)光細(xì)菌發(fā)出的,它的特點(diǎn)是海面呈獻(xiàn)一片彌漫的乳白色光澤;閃光型發(fā)光是由大型動(dòng)物主要是橈足類如水母、火體蟲等受到刺激后產(chǎn)生的1種發(fā)光現(xiàn)象。發(fā)光等級(jí)按強(qiáng)度一般分為一般、較強(qiáng)及很強(qiáng)3個(gè)級(jí)別。

2 生物發(fā)光的食物鏈

微食物網(wǎng)包括細(xì)菌和微型自養(yǎng)藻類,還應(yīng)包括浮游動(dòng)物。微型浮游真核藻類和原核藻類所分泌的可溶性有機(jī)物,可以被細(xì)菌攝取,它們又都可能直接為原生動(dòng)物(主要是鞭毛蟲和纖毛蟲),和不同時(shí)期橈足類動(dòng)物的幼體所捕食,捕食的個(gè)體又可能被重新礦化,為細(xì)菌或浮游藻類所利用,也可能為小型浮游動(dòng)物所捕食成為較大的顆粒有機(jī)物,從而與傳統(tǒng)食物鏈發(fā)生聯(lián)系[5](見(jiàn)圖1)。

圖1 微食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of microbial food web

浮游植物是光合生物,體內(nèi)含有葉綠素a-藻膽素色素,太陽(yáng)照射強(qiáng)度越強(qiáng),浮游植物的光合作用越強(qiáng),發(fā)光浮游生物的食物越充足,它們就會(huì)迅速大量繁殖,導(dǎo)致該海洋單位體積內(nèi)發(fā)光生物量增高。

3 海洋環(huán)境對(duì)浮游植物光合作用的影響

Ryther和Yentsch(1957)提出了描述在光飽和條件下浮游植物光合作用速率與葉綠素濃度之間的相關(guān)式[6],方程表達(dá)式如下:

式中:P為浮游植物光合作用速率,mg/m2·h;C為葉綠素濃度,mg/m2;K為消光系數(shù),m-1;R為決定海面光強(qiáng)的相對(duì)光合作用率;Q為同化系數(shù),定義為單位葉綠素在單位時(shí)間內(nèi)同化的碳量,是浮游植物光合作用活性的1個(gè)指標(biāo)。浮游植物光合作用速率的同化數(shù)在不同的海域、不同的季節(jié)有較大的變化,這是由于光、水溫、營(yíng)養(yǎng)鹽等理化因子的影響所致。

水溫是影響生物活性的重要因素,從圖2中可以看出,同化數(shù)的變化呈現(xiàn)隨水溫上升而增大的趨勢(shì),其變化范圍從0.44～15,大部分量值在6以下。同一水溫下同化數(shù)的變化幅度也很大,這是因?yàn)槿由疃?、浮游植物的組成以及營(yíng)養(yǎng)鹽的狀況不同所造成的。Steenmann Nielsen(1963)提出了利用海水光學(xué)參數(shù)估算葉綠素濃度的設(shè)想,方法就是測(cè)量海水的透明度,或者更簡(jiǎn)單些測(cè)量海水的顏色,這種方法只能在遠(yuǎn)離大陸影響的外海適用。Carlsn(1977)提出了利用透明度S觀測(cè)值估算Chl濃度C的經(jīng)驗(yàn)公式[7]。

4 實(shí)驗(yàn)研究

圖2 水溫與同化數(shù)之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between sea water temperature and assimilation number

采用調(diào)查船出海實(shí)測(cè)的方法研究海洋環(huán)境要素對(duì)船尾流生物發(fā)光的影響,選擇了不同經(jīng)緯度和不同地理情況(遠(yuǎn)海16個(gè)和近海8個(gè))共24個(gè)調(diào)查站位進(jìn)行了調(diào)查,如圖3所示。出海觀測(cè)時(shí)進(jìn)行氣象條件、表層水溫(3 m)、表層流速流向(3 m)、水色透明度、海況和有效波高的調(diào)查記錄,并在夜晚12點(diǎn)以后調(diào)查船以10 kn航速航行時(shí),在船尾部觀測(cè)螺旋槳尾流刺激生物發(fā)光的類型和等級(jí)。

5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖3生物發(fā)光調(diào)查站位顯示,表1和表2調(diào)查站位尾流生物發(fā)光類型都是H型(火花型),說(shuō)明遠(yuǎn)離海岸的海域表層海水中發(fā)光生物類型主要是鞭毛類小型或微型的發(fā)光浮游植物;表3調(diào)查站位尾流生物發(fā)光類型是S型(閃光型),說(shuō)明靠近海岸的海域表層海水中發(fā)光生物類型主要是小型或大型發(fā)光動(dòng)物。

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圖3 生物發(fā)光調(diào)查站位圖Fig.3 The station of bioluminescent investigation

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站位水溫分布柱狀圖如圖4所示。圖中箭頭區(qū)間發(fā)光分別為H2,H1和S1型,平均水溫為28.75℃,28.70℃,23.29℃,站位表層水溫偏高的氣象條件多為晴好天氣,表層水溫偏低的氣象條件為陰天和多云。說(shuō)明表層海水溫度在遠(yuǎn)海對(duì)生物發(fā)光影響比較大,在近海影響不明顯。因?yàn)榻逗Ｓ蛴捎诮逗恿鞯臎_刷和人為活動(dòng)的影響而成為富營(yíng)養(yǎng)海域,有機(jī)物顆粒、營(yíng)養(yǎng)鹽含量比較高,根據(jù)食物鏈關(guān)系,小型、微型浮游生物由于食物來(lái)源豐富而繁殖迅速,導(dǎo)致此類發(fā)光生物數(shù)量增多,因此尾流擾動(dòng)的發(fā)光類型多為S型;而遠(yuǎn)離海岸海域因?yàn)槭芎０队绊戄^小,不能提供充足的有機(jī)顆粒,多為寡營(yíng)養(yǎng)鹽海域,因此對(duì)于自養(yǎng)的浮游植物的溫度影響占據(jù)了主導(dǎo)作用,在光照充足的情況下隨著水溫的增高,光合作用增強(qiáng),海水中葉綠素(Chl)濃度也隨之增高,浮游植物迅速繁殖數(shù)量增多,于是尾流擾動(dòng)的發(fā)光類型為H型。

從透明度數(shù)據(jù)也可以看出,靠近海岸由于海水溶解海岸和江河的沖刷,海水中懸浮營(yíng)養(yǎng)顆粒物質(zhì)比較多,海水透明度比較小,生物發(fā)光類型多為S型;而遠(yuǎn)離海岸的區(qū)域海水受海岸影響較小,海水比較純凈,透明度比較大,因此陽(yáng)光照射容易使更深海水中的浮游生物進(jìn)行光合作用,發(fā)光浮游生物繁殖速度就越快,數(shù)量就越多,生物發(fā)光強(qiáng)度就越高。

除了營(yíng)養(yǎng)鹽、水溫、光照影響生物發(fā)光外,惡劣的海況也能起到增強(qiáng)生物發(fā)光的作用。發(fā)光為H2型站位的表層水溫低于29℃,但此時(shí)發(fā)光強(qiáng)度并沒(méi)有因?yàn)樗疁氐慕档投鴾p弱,而此時(shí)海況均為3級(jí)海況,波高平均為1.24 m,說(shuō)明惡劣的海況產(chǎn)生的波浪會(huì)使海洋變得表面粗糙而使表層海水中含氧量增大,根據(jù)生物發(fā)光的機(jī)理氧分子參與發(fā)光的化學(xué)反應(yīng),所以生物發(fā)光強(qiáng)度會(huì)有所增強(qiáng)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文從艦船尾流生物發(fā)光的機(jī)理和發(fā)光類型出發(fā)研究了發(fā)光生物的食物鏈結(jié)構(gòu),并理論分析了水溫、營(yíng)養(yǎng)鹽、透明度與葉綠素含量之間的關(guān)系,并通過(guò)分析出海實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),研究海洋要素對(duì)尾流發(fā)光的影響,指出艦船在水溫和鹽度偏高及惡劣海況下海域尾流生物發(fā)光效應(yīng)強(qiáng)烈,易于通過(guò)尾流探測(cè)。但由于缺乏探測(cè)生物發(fā)光儀器,尚未定量研究各要素和生物發(fā)光之間的關(guān)系及其垂直分布情況,需要在今后的研究中深入探討。

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