影响舰船尾流生物致光的海洋环境要素研究

曹 静,王江安,罗华强

(1.海军工程大学电子工程学院,湖北 武汉 430033;2.海军工程大学兵器系,湖北 武汉 430033;3.湛江基地军械修理厂,广东 湛江 524009)

0 引 言

舰船尾流生物致光是指水面舰船或潜艇经过富含发光生物的海域时,由于螺旋桨的机械扰动产生的涡流刺激发光生物产生一段时间的持续发光,从而在舰船尾部和航行区域留下明显的发光轨迹的过程[1],通常又可以把舰船尾部的这条含有发光生物的发光带子称为生物光尾流。生物光尾流的研究可为水下目标探测提供1种新的技术手段[2],可应用在舰艇尾迹遥感、反潜作战、近海岸反蛙人预警等军事领域;同时也可应用在海洋水质监测、海洋搜救、鱼群探测、海洋初级生产力监测等民用领域。

舰船生物光尾流的强度、几何特性、光谱特征、时间特征、扩展特征与舰船的航速、航深等因素相关。而在外界机械扰动因素一定的情况下,这种尾流发光的强度和持续时间受到舰船经过的海域各种海洋环境要素的影响,因此研究影响生物致光的海洋环境要素对海战场建设,提高探测发现敌方舰船的能力有十分重大的现实意义。

1 生物发光机理

生物发光是广泛存在的1种自然现象[3],在海洋生物中尤为普遍,大约80%的海洋生物如夜光虫、细菌、甲藻、磷虾、介形类海萤科、水母、火体虫等不仅在夜晚能自发发光,而且在海水的机械扰动、海水中化学成份的波动、压力突变、超声波、电磁场和激光等刺激时,都会有闪光反应,强度比自发发光要强得多,发光在近紫外的可见光波段(450～480 nm),在黑暗的条件下肉眼也可以看见。

生物发光机理是发光生物体自身内部化学反应的结果,主要的反应过程是:发光生物体内含有造亮分子虫荧光素与氧接触瞬间氧化,以光的形式释放出能量,同时体内的荧光酶的物质控制细胞中的反应速度。尾流刺激鞭毛类生物发光的主要原因是这种真核生物的细胞壁很敏感,当受到剪应力大于1 dyn/cm2且单位体积内生物数量大于100个/L[4]时,尾流产生的生物发光可照亮尾流场中的游动物体。

大多数的鞭毛虫类发光浮游真核生物在1次发光过程中要发出6×108个光子,持续的时间大约为0.1 s,更大型的生物如水母1 s会发出2×1011个光子,有时候发光能持续几十秒钟,生物发光的强度一般为102～103cd/cm2/s。海洋中的生物发光可分为3种类型,即火花型(闪耀型)、弥漫型和闪光型。火花型发光是由小型或微型的发光浮游植物受到刺激后引起的发光;弥漫型发光主要是由发光细菌发出的,它的特点是海面呈献一片弥漫的乳白色光泽;闪光型发光是由大型动物主要是桡足类如水母、火体虫等受到刺激后产生的1种发光现象。发光等级按强度一般分为一般、较强及很强3个级别。

2 生物发光的食物链

微食物网包括细菌和微型自养藻类,还应包括浮游动物。微型浮游真核藻类和原核藻类所分泌的可溶性有机物,可以被细菌摄取,它们又都可能直接为原生动物(主要是鞭毛虫和纤毛虫),和不同时期桡足类动物的幼体所捕食,捕食的个体又可能被重新矿化,为细菌或浮游藻类所利用,也可能为小型浮游动物所捕食成为较大的颗粒有机物,从而与传统食物链发生联系[5](见图1)。

图1 微食物网结构示意图Fig.1 Schematic diagram of structure of microbial food web

浮游植物是光合生物,体内含有叶绿素a-藻胆素色素,太阳照射强度越强,浮游植物的光合作用越强,发光浮游生物的食物越充足,它们就会迅速大量繁殖,导致该海洋单位体积内发光生物量增高。

3 海洋环境对浮游植物光合作用的影响

Ryther和Yentsch(1957)提出了描述在光饱和条件下浮游植物光合作用速率与叶绿素浓度之间的相关式[6],方程表达式如下:

式中:P为浮游植物光合作用速率,mg/m2·h;C为叶绿素浓度,mg/m2;K为消光系数,m-1;R为决定海面光强的相对光合作用率;Q为同化系数,定义为单位叶绿素在单位时间内同化的碳量,是浮游植物光合作用活性的1个指标。浮游植物光合作用速率的同化数在不同的海域、不同的季节有较大的变化,这是由于光、水温、营养盐等理化因子的影响所致。

水温是影响生物活性的重要因素,从图2中可以看出,同化数的变化呈现随水温上升而增大的趋势,其变化范围从0.44～15,大部分量值在6以下。同一水温下同化数的变化幅度也很大,这是因为取样深度、浮游植物的组成以及营养盐的状况不同所造成的。Steenmann Nielsen(1963)提出了利用海水光学参数估算叶绿素浓度的设想,方法就是测量海水的透明度,或者更简单些测量海水的颜色,这种方法只能在远离大陆影响的外海适用。Carlsn(1977)提出了利用透明度S观测值估算Chl浓度C的经验公式[7]。

4 实验研究

图2 水温与同化数之间的关系Fig.2 The relationship between sea water temperature and assimilation number

采用调查船出海实测的方法研究海洋环境要素对船尾流生物发光的影响,选择了不同经纬度和不同地理情况(远海16个和近海8个)共24个调查站位进行了调查,如图3所示。出海观测时进行气象条件、表层水温(3 m)、表层流速流向(3 m)、水色透明度、海况和有效波高的调查记录,并在夜晚12点以后调查船以10 kn航速航行时,在船尾部观测螺旋桨尾流刺激生物发光的类型和等级。

5 数据分析

根据图3生物发光调查站位显示,表1和表2调查站位尾流生物发光类型都是H型(火花型),说明远离海岸的海域表层海水中发光生物类型主要是鞭毛类小型或微型的发光浮游植物;表3调查站位尾流生物发光类型是S型(闪光型),说明靠近海岸的海域表层海水中发光生物类型主要是小型或大型发光动物。

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图3 生物发光调查站位图Fig.3 The station of bioluminescent investigation

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站位水温分布柱状图如图4所示。图中箭头区间发光分别为H2,H1和S1型,平均水温为28.75℃,28.70℃,23.29℃,站位表层水温偏高的气象条件多为晴好天气,表层水温偏低的气象条件为阴天和多云。说明表层海水温度在远海对生物发光影响比较大,在近海影响不明显。因为近岸海域由于近岸河流的冲刷和人为活动的影响而成为富营养海域,有机物颗粒、营养盐含量比较高,根据食物链关系,小型、微型浮游生物由于食物来源丰富而繁殖迅速,导致此类发光生物数量增多,因此尾流扰动的发光类型多为S型;而远离海岸海域因为受海岸影响较小,不能提供充足的有机颗粒,多为寡营养盐海域,因此对于自养的浮游植物的温度影响占据了主导作用,在光照充足的情况下随着水温的增高,光合作用增强,海水中叶绿素(Chl)浓度也随之增高,浮游植物迅速繁殖数量增多,于是尾流扰动的发光类型为H型。

从透明度数据也可以看出,靠近海岸由于海水溶解海岸和江河的冲刷,海水中悬浮营养颗粒物质比较多,海水透明度比较小,生物发光类型多为S型;而远离海岸的区域海水受海岸影响较小,海水比较纯净,透明度比较大,因此阳光照射容易使更深海水中的浮游生物进行光合作用,发光浮游生物繁殖速度就越快,数量就越多,生物发光强度就越高。

除了营养盐、水温、光照影响生物发光外,恶劣的海况也能起到增强生物发光的作用。发光为H2型站位的表层水温低于29℃,但此时发光强度并没有因为水温的降低而减弱,而此时海况均为3级海况,波高平均为1.24 m,说明恶劣的海况产生的波浪会使海洋变得表面粗糙而使表层海水中含氧量增大,根据生物发光的机理氧分子参与发光的化学反应,所以生物发光强度会有所增强。

6 结 语

本文从舰船尾流生物发光的机理和发光类型出发研究了发光生物的食物链结构,并理论分析了水温、营养盐、透明度与叶绿素含量之间的关系,并通过分析出海实测数据,研究海洋要素对尾流发光的影响,指出舰船在水温和盐度偏高及恶劣海况下海域尾流生物发光效应强烈,易于通过尾流探测。但由于缺乏探测生物发光仪器,尚未定量研究各要素和生物发光之间的关系及其垂直分布情况,需要在今后的研究中深入探讨。

[1]罗华强,王江安.舰船尾流生物致光管流实验研究[J].激光与红外,2005,35(12):944-946.LUO Hua-qiang,WANG Jiang-an.The study of warship wake bioluminescence detection associated with pipe flow[J].Laser and Infrared,2005,35(12):944-946.

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[5]孙书存,陆健健.微型浮游生物生态学研究概述[J].生态学报,2001,21(2):303-305.SUN Shu-cun,LU Jian-jian.A brief review for ecological studies on nano-plankton[J].Acta Ecologica Sinica,2001,21(2):303-305.

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[7]POPP F A,LI K H,GU,Q.Recent advances in biophoton research and its application[M].Singapore-London:World Scientific,1992.1-47.