海洋実習 May 21 海の光環境と 植物プランクトン １ 光の波長とエネルギー ２ 照度と輝度 ３ 水分子による光の吸収 ４ 海に中の光 ５ 光合成による光の利用 ６ 植物プランクトンの分類と色 地球環境工学科千賀康弘
光は 電磁波 波長 (nm) 周波数 (s -1 ) 1 3 1 21 1 18 1 15 1 12 1 9 1 6 波長 (m) 光速 c = 3. 1 8 m/s ( 真空中 ) 波長 λ= 光速 / 周波数 屈折率 n = 真空中の光速 / 媒質中の光速 >1 光は 粒子 1 個の光子が持つエネルギー E h hc 34 6.631 3.1 [m] 8 [J] 短波長の光エネルギー > 長波長の光エネルギー ( 青 ) ( 赤 ) 1 秒間に来る光子の数 = 光の強さ アボガドロ数個の光子 =1 Einstein 植物の光合成は全エネルギーでなく光子数が重要
地球上の光は太陽から 6Kの黒体放射大気圏外太陽照度 (m=) 太陽定数 = 1382 [w/m 2 ] 海表面太陽照度 (m=1) 分子による吸収 紫外 可視 赤外 ( オゾン層は紫外線を吸収する ) 照度と輝度 P A 照度 : 面 Aの受ける1 秒当たりのエネルギー [w/m 2 ] 2π 照度 蛍光灯に照らされた机の明るさ輝度 : 特定の方向から来る1 秒当たりのエネルギー [w/(m 2 sr)] 星の明るさ
水分子は振動して光を吸収する 液体は低いエネルギーを吸収 ガス 液体 氷の吸収 氷 (-83 ) 水蒸気 (25 ) 液体 (25 ) 3. 2.5 3.5 波長 (um)
水分子の振動は赤色光を吸収する 3 1 2 +L 1 1 2 2 L 1 L 2 3 4 3 1 + 3 2 1 + 3 1 1 + 2 + 3 4 1 + 3 2 4 6 8 1 12 14 海水中の物質による光減衰 吸光係数 (m -1 ).9.8.7 植物プランクトン 水.6.5.4.3 DOM.2.1 4 5 6 7 波長 (nm)
植物プランクトンは大きさ 形がいろいろ 黄色鞭毛藻 Stephanus speculum 緑藻 Pyramimonas sp. 緑藻 Micromonus pusilla Fragilaria striatula Imanonia rotunda Thalassiosira allnii 珪藻 渦鞭毛藻 Gymnodinum albulum Dinophysis fortii 渦鞭毛藻 Gyrodinium spirale Prorocentrum gracile Biddulphia mobiliensis 珪藻 Nitzchia longissima Emiliania huxleyi ハプト藻 珪藻 Chaetoceros muelleri Premnesium ハプト藻 Ceratium macroceros 2 4 6 8 1m 珪藻 珪藻 Thalassinosira nordenskieeldii Chaetoceros lorenzianum 1m Coscinodiscus sub-bulien 植物プランクトンは光合成をして生き抜く
植物プランクトンは色で分類できる 種々の植物に含まれる光合成色素 ( 藤田, 198) クロロフィル カロチノイド キサントフィル フィコビリン 吸収する色 比吸光係数 比吸光係数 吸光度 色の違いは色素の違い Chlorophyll Carotenoid Phycobilin a Rフィコエリトリン b c 実践 : クロロフィル点線 : フェオフィチン 青 + 赤青緑赤 波長 (nm) - カロチン 吸光度吸光度 フコキサンチン 波長 (nm) 深いところの植物プランクトンは赤い 吸光度 吸光度 吸光度 吸光度 吸光度 C フィコエリトリン R フィコシアニン C フィコシアニン アロフィコシアニン 波長 (nm)
複数の色素を持てば効率的に光を吸収 見える色は補色 暗い所の植物プランクトンは小さい 球形細胞 ( 半径 r ) 表面積 :4r 2 体積 : 4r 3 /3 表面積 / 体積 = 3/ r 小さな細胞 = 表面積大 深いところの植物プランクトンは小さい
珪藻 微細構造の美しさ その物理的な意味は どんな機能を持つ なぜ連結しているのか 電子顕微鏡写真 (1999/12/24) 臨界点乾燥法による電子 顕微鏡写真 (21/6/22) 円石藻 炭酸カルシウムの白い殻は 光導波路 葉緑体はどこ
植物プランクトンの不思議 多様性 : 昔から変わらないのか? 形状 : なぜ ( 光を受けやすい 栄養塩を取り込みやすい 浮力 ) 群生 : どうして連なっているブルーミング ( 異常増殖 ): いつ どこで どのくらい 光はキーワード 気候変動との関係は? 植物プランクトンは海水温を変える? 海洋物理 海洋化学との関連大気への影響 (DMSP の発生による雲核構成 ) 海中の色を測定 水中照度計 水中輝度計 植物プランクトンはどんな光を使うのか? 深度 (m) 2 4 6 8 1 12 14 紫 (4nm) 95 藍 (45) 124 青 (48) 121 緑 (5) 82 黄 (58) 21 橙 (6) 9 赤 (7nm) 4 深い海は藍色の世界 深い海の生物は赤い きれいな海水中で光強度が表面の 1% になる深度
海の色は植物プランクトンの色? 黒潮 親潮 水色 1 水色 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 12 フォーレル水色計 ( 海色の色見本 ) 海の色は吸収と散乱で決まる 海の色 = 海中から海表面に抜ける上向き放射光 + 海面反射光 天空光 太陽直達光 海面反射光 上向き放射光 デトリタス 水分子 植物プランクトン 溶存物質 海底
植物プランクトンの生活域 植物プランクトン 捕食 小型動物プランクトン 食物連鎖 捕食 大型動物プランクトン 捕食 光環境 小型魚 捕食 プランクトンとは 水の流れに逆らって自らの位置を保てない生物 大型魚 太陽光 有光層
亜寒帯域有光層 黒潮域有光層 海域による減衰の違いー有光層とは? 深度 (m) 光合成に使われる光 (4-7nm) の強さ.1 % 1 % 1 % 1 % 1 青緑色に見える 2 3 4 5 亜寒帯域黒潮域 6 植物プランクトン植物プランクトン 7 濃度高濃度低 8 9 1 光合成有効放射量 (PAR)= 7 植物プランクトンによって散乱された光が海面に帰ってくる 大部分の光が水中に進み 海面に帰ってこない黒く見える 4 Ed( ) d 水中放射照度 輝度計 (PRR-6/61 ) 人工衛星リモートセンシングによる海色 ( 海表面の色 ) 観測結果を検証する装置 ( 海色は植物プランクトンの分布に関係 ) 照度 : 観測面の上半球の全方向から入ってくる光強度の和 = 面で受ける光強度 ( 単位 : W m -2 nm -1 ) 輝度 : 特定の方向から狭い角度で入ってくる光強度 = ある点の色 ( 単位 : W m -2 nm -1 sr -1 ) 太陽放射照度 Es 照度計 センサー面 輝度計 遮光筒 センサー面 下向き水中放射照度 Ed 光合成有効放射 EdPAR 上向き水中放射輝度 Lu 光合成有効放射 (PAR) 植物が光合成に使うことのできる光 (4~7nm) の全光子数単位 : mol 光子 m -2 s -1 ( 1mol 光子 = 1 Einstein ) 光合成有効放射 (PAR) 光の波長 4 5 6 7 観測波長 (nm) 412 443 49 52 565 67 683 クロロフィル a の吸収 透明度の基準 クロロフィル a の吸収クロロフィル a の蛍光 宇宙航空開発研究機構 (JAXA) 提供
海域による減衰の違いー植物プランクトンとの関係 (29/8/3-4) Stn2 Stn4 クロロフィル蛍光 Chla (μg/l) 下向き放射照度 (uwcm -2 nm -1 ) 下向き放射照度 (uwcm -2 nm -1 ) 1 2 3 4 5 深度 (m) 2 4 6 8 Stn2 Stn1 Stn4 Stn.1 Stn.2 Stn.4 67nm 443nm 52nm Stn2 Stn4 1
水中の光測定 環境情報工学科千賀康弘 水中放射照度 輝度計 (PRR-6/61) 人工衛星リモートセンシングによる海色 ( 海表面の色 ) 観測結果を検証する装置 (Profiling Reflectance Radiometer) 照度 : 観測面の上半球の全方向から入ってくる光強度の和 = 面で受ける光強度 ( 単位 : W m -2 nm -1 ) 輝度 : 特定の方向から狭い角度で入ってくる光強度 = ある点の色 ( 単位 : W m -2 nm -1 sr -1 ) 太陽放射照度 Es 照度計 センサー面 輝度計 遮光筒 センサー面 下向き水中放射照度 Ed 光合成有効放射 EdPAR 上向き水中放射輝度 Lu 光合成有効放射 (PAR) 植物が光合成に使うことのできる光 (4~7nm) の全光子数単位 : mol 光子 m -2 s -1 ( 1mol 光子 = 1 Einstein ) 光合成有効放射 (PAR) 光の波長 4 5 6 7 観測波長 (nm) 412 443 49 52 565 67 683 クロロフィル a の吸収 透明度の基準 クロロフィル a の吸収クロロフィル a の蛍光 宇宙航空開発研究機構 (JAXA) 提供
PRR 測定結果 (Q36) 下向き分光放射照度 Downward Irradiance (uw/cm2/nm).1.1.1 1 1 EdPAR 消散係数 Extinction Coefficience of EdPAR k (m-1).1.2 1 1 2 2 Depth (m) Ed z /Ed =.1 z=48m 3 4 5 6 7 412 443 49 52 565 67 PAR* Depth (m) 3 4 5 6 7 表層反射率スペクトル 3 2 Albedo (%) 1 Alvedo (Q36) 1.41 2.69 3.44 4.61 4 45 5 55 6 65 7 Wavelength (nm) 緑の反射が大きく海面は青緑に見える PRR 測定結果 (Q27C) 下向き分光放射照度 Downward Irradiance (uw/cm2/nm).1.1.1.1 1 1 1 EdPAR 消散係数 Extinction Coefficience k (m-1).2.4.6.8 1 1 Depth (m) 2 3 4 412 443 49 52 565 67 PAR* Depth (m) 2 3 4 5 5 Ed z /Ed =. 2 z=6m 6 6 Edz/Ed=. 1 z=17m 7 表層反射率スペクトル Albedo (%) 7 Alvedo (Q27C) 12 1 1.49 8 2.71 6 3.34 4 4.61 2 4 45 5 55 6 65 7 Wavelength (nm) 青 緑の反射が大きく海面は黒く見える
吸収係数 (L/(g cm)) クロロフィルaの吸光と蛍光 Blue LED 赤色フィルタ 蛍光 蛍光強度 ( 相対値 ) クロロフィル蛍光測定原理 励起光源 (Blue LED) 赤色フィルタ 検出器 (PD) 波長 (nm) 植物プランクトン 照度と輝度 ( 放射測定法 :Radiometry) 放射束 Φ [W]= [ J s -1 ] または [ Quanta s -1 ] 単位時間当たりの放射エネルギー 放射輝度 [W m-2 sr-1] 放射源の単位面積から単位立体角に射出されるエネルギー 放射照度 E [W m-2] 単位時間に単位面積に入射する放射エネルギー 下向き照度 上向き照度 スカラー照度 L s cos w E d L(, ) cos dw 2 L(, ) cos dw E u 2 E L(, ) dw 4 E 4 検出 ΔS cosθ S z y x Lcos L Ed Eu 検出
光の吸収 光が媒質中を通過するときエネルギーを吸収する Z E E+ E 減衰量 E= -E k z k : 消散係数 ( 吸収と散乱を含む ) E E=E e -kz z 媒質中で指数関数的に減衰