影響艦船尾流生物致光的海洋環境要素研究

曹 靜,王江安,羅華強

(1.海軍工程大學電子工程學院,湖北 武漢 430033;2.海軍工程大學兵器系,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過富含發光生物的海域時,由于螺旋槳的機械擾動產生的渦流刺激發光生物產生一段時間的持續發光,從而在艦船尾部和航行區域留下明顯的發光軌跡的過程[1],通常又可以把艦船尾部的這條含有發光生物的發光帶子稱為生物光尾流。生物光尾流的研究可為水下目標探測提供1種新的技術手段[2],可應用在艦艇尾跡遙感、反潛作戰、近海岸反蛙人預警等軍事領域;同時也可應用在海洋水質監測、海洋搜救、魚群探測、海洋初級生產力監測等民用領域。

艦船生物光尾流的強度、幾何特性、光譜特征、時間特征、擴展特征與艦船的航速、航深等因素相關。而在外界機械擾動因素一定的情況下,這種尾流發光的強度和持續時間受到艦船經過的海域各種海洋環境要素的影響,因此研究影響生物致光的海洋環境要素對海戰場建設,提高探測發現敵方艦船的能力有十分重大的現實意義。

1 生物發光機理

生物發光是廣泛存在的1種自然現象[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發光,而且在海水的機械擾動、海水中化學成份的波動、壓力突變、超聲波、電磁場和激光等刺激時,都會有閃光反應,強度比自發發光要強得多,發光在近紫外的可見光波段(450～480 nm),在黑暗的條件下肉眼也可以看見。

生物發光機理是發光生物體自身內部化學反應的結果,主要的反應過程是:發光生物體內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,同時體內的熒光酶的物質控制細胞中的反應速度。尾流刺激鞭毛類生物發光的主要原因是這種真核生物的細胞壁很敏感,當受到剪應力大于1 dyn/cm2且單位體積內生物數量大于100個/L[4]時,尾流產生的生物發光可照亮尾流場中的游動物體。

大多數的鞭毛蟲類發光浮游真核生物在1次發光過程中要發出6×108個光子,持續的時間大約為0.1 s,更大型的生物如水母1 s會發出2×1011個光子,有時候發光能持續幾十秒鐘,生物發光的強度一般為102～103cd/cm2/s。海洋中的生物發光可分為3種類型,即火花型(閃耀型)、彌漫型和閃光型。火花型發光是由小型或微型的發光浮游植物受到刺激后引起的發光;彌漫型發光主要是由發光細菌發出的,它的特點是海面呈獻一片彌漫的乳白色光澤;閃光型發光是由大型動物主要是橈足類如水母、火體蟲等受到刺激后產生的1種發光現象。發光等級按強度一般分為一般、較強及很強3個級別。

2 生物發光的食物鏈

微食物網包括細菌和微型自養藻類,還應包括浮游動物。微型浮游真核藻類和原核藻類所分泌的可溶性有機物,可以被細菌攝取,它們又都可能直接為原生動物(主要是鞭毛蟲和纖毛蟲),和不同時期橈足類動物的幼體所捕食,捕食的個體又可能被重新礦化,為細菌或浮游藻類所利用,也可能為小型浮游動物所捕食成為較大的顆粒有機物,從而與傳統食物鏈發生聯系[5](見圖1)。

圖1 微食物網結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of microbial food web

浮游植物是光合生物,體內含有葉綠素a-藻膽素色素,太陽照射強度越強,浮游植物的光合作用越強,發光浮游生物的食物越充足,它們就會迅速大量繁殖,導致該海洋單位體積內發光生物量增高。

3 海洋環境對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式[6],方程表達式如下:

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,m-1;R為決定海面光強的相對光合作用率;Q為同化系數,定義為單位葉綠素在單位時間內同化的碳量,是浮游植物光合作用活性的1個指標。浮游植物光合作用速率的同化數在不同的海域、不同的季節有較大的變化,這是由于光、水溫、營養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,同化數的變化呈現隨水溫上升而增大的趨勢,其變化范圍從0.44～15,大部分量值在6以下。同一水溫下同化數的變化幅度也很大,這是因為取樣深度、浮游植物的組成以及營養鹽的狀況不同所造成的。Steenmann Nielsen(1963)提出了利用海水光學參數估算葉綠素濃度的設想,方法就是測量海水的透明度,或者更簡單些測量海水的顏色,這種方法只能在遠離大陸影響的外海適用。Carlsn(1977)提出了利用透明度S觀測值估算Chl濃度C的經驗公式[7]。

4 實驗研究

圖2 水溫與同化數之間的關系Fig.2 The relationship between sea water temperature and assimilation number

采用調查船出海實測的方法研究海洋環境要素對船尾流生物發光的影響,選擇了不同經緯度和不同地理情況(遠海16個和近海8個)共24個調查站位進行了調查,如圖3所示。出海觀測時進行氣象條件、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查記錄,并在夜晚12點以后調查船以10 kn航速航行時,在船尾部觀測螺旋槳尾流刺激生物發光的類型和等級。

5 數據分析

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

?

?

圖3 生物發光調查站位圖Fig.3 The station of bioluminescent investigation

?

站位水溫分布柱狀圖如圖4所示。圖中箭頭區間發光分別為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。說明表層海水溫度在遠海對生物發光影響比較大,在近海影響不明顯。因為近岸海域由于近岸河流的沖刷和人為活動的影響而成為富營養海域,有機物顆粒、營養鹽含量比較高,根據食物鏈關系,小型、微型浮游生物由于食物來源豐富而繁殖迅速,導致此類發光生物數量增多,因此尾流擾動的發光類型多為S型;而遠離海岸海域因為受海岸影響較小,不能提供充足的有機顆粒,多為寡營養鹽海域,因此對于自養的浮游植物的溫度影響占據了主導作用,在光照充足的情況下隨著水溫的增高,光合作用增強,海水中葉綠素(Chl)濃度也隨之增高,浮游植物迅速繁殖數量增多,于是尾流擾動的發光類型為H型。

從透明度數據也可以看出,靠近海岸由于海水溶解海岸和江河的沖刷,海水中懸浮營養顆粒物質比較多,海水透明度比較小,生物發光類型多為S型;而遠離海岸的區域海水受海岸影響較小,海水比較純凈,透明度比較大,因此陽光照射容易使更深海水中的浮游生物進行光合作用,發光浮游生物繁殖速度就越快,數量就越多,生物發光強度就越高。

除了營養鹽、水溫、光照影響生物發光外,惡劣的海況也能起到增強生物發光的作用。發光為H2型站位的表層水溫低于29℃,但此時發光強度并沒有因為水溫的降低而減弱,而此時海況均為3級海況,波高平均為1.24 m,說明惡劣的海況產生的波浪會使海洋變得表面粗糙而使表層海水中含氧量增大,根據生物發光的機理氧分子參與發光的化學反應,所以生物發光強度會有所增強。

6 結 語

本文從艦船尾流生物發光的機理和發光類型出發研究了發光生物的食物鏈結構,并理論分析了水溫、營養鹽、透明度與葉綠素含量之間的關系,并通過分析出海實測數據,研究海洋要素對尾流發光的影響,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光效應強烈,易于通過尾流探測。但由于缺乏探測生物發光儀器,尚未定量研究各要素和生物發光之間的關系及其垂直分布情況,需要在今后的研究中深入探討。

[1]羅華強,王江安.艦船尾流生物致光管流實驗研究[J].激光與紅外,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.

[2]STOKES M D,DEANE G B,LATZ M I,etal.Bioluminescence imaging of wave-induced turbulence[J].Journal of Geophysical Research,2004,109,C01004:1-8.

[3]WIDDER E A.SPLAT CAM:Mapping plankton distributions with bioluminescent road-kill[J].IEEE,2002,1711-1715.

[4]LATZ M I,NUAEN J C,ROHR J.Bioluminescence response of four species of dinoflagllates to fully developed pipe flow[J].Journal of Plankton Research,2004,26(12):1529-1546.

[5]孫書存,陸健健.微型浮游生物生態學研究概述[J].生態學報,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.

[6]費尊樂,TREES C C,李寶華.利用葉綠素資料計算初級生產力[J].黃渤海海洋,1997,15(1):35-47.FEI Zun-le,TREES C C,LI Bao-hua.Estimating primary productivity using chlorophylldata[J].Journalof Oceanography of Huang Hai and Bo Hai Seas,1997,15(1):35-47.

[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.