在科學(xué)家探索海洋與內(nèi)陸水體奧秘的工具箱中，有一種儀器正在扮演越來(lái)越關(guān)鍵的角色——地物光譜儀。它并不神秘，但卻能揭示肉眼看不見的“水世界密碼”，幫助我們更好地理解水體生態(tài)系統(tǒng)的健康與變化。

什么是地物光譜儀？

簡(jiǎn)單來(lái)說，地物光譜儀是一種能夠測(cè)量物體表面對(duì)光反射特性的儀器。不同物質(zhì)在接收到陽(yáng)光后，會(huì)以不同的方式反射光。地物光譜儀能夠捕捉這些反射信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為連續(xù)的光譜數(shù)據(jù)，形成一條條“光譜曲線”。

每種物質(zhì)都有其獨(dú)特的光譜特征，就像是自然界的“指紋”。通過分析這些特征，科學(xué)家可以判斷水體中存在的物質(zhì)種類及其濃度。

光譜技術(shù)如何應(yīng)用于水體研究？

水體看似清澈，但其內(nèi)部變化卻復(fù)雜多變。地物光譜儀通過對(duì)水面反射光的測(cè)量，能夠獲取以下關(guān)鍵生態(tài)參數(shù)：

1. 葉綠素濃度

葉綠素是浮游植物的主要成分。地物光譜儀可以檢測(cè)水體中綠光和紅光的吸收情況，間接計(jì)算出葉綠素的含量，從而判斷水體的初級(jí)生產(chǎn)力水平。過高的葉綠素濃度可能意味著水體富營(yíng)養(yǎng)化，進(jìn)而引發(fā)水華甚至赤潮。

2. 懸浮物濃度與水體濁度

當(dāng)水體中懸浮顆粒物增多，光的反射模式會(huì)隨之改變。地物光譜儀可以識(shí)別這些變化，幫助監(jiān)測(cè)河流入海口、湖泊或水庫(kù)的泥沙含量以及水質(zhì)變化趨勢(shì)。

3. 溶解有機(jī)物

溶解有色有機(jī)物(CDOM)主要吸收紫外與藍(lán)光波段。通過光譜數(shù)據(jù)分析，研究者能夠推測(cè)水體中有機(jī)污染物的存在及分布，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)尤為重要。

4. 溫度與氣候變化的影響

海洋和湖泊的表面反射特征會(huì)隨著溫度變化而產(chǎn)生微小的差異。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)這些變化，有助于研究氣候變化對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響。

為什么要用地物光譜儀而不是直接采樣？

傳統(tǒng)的水樣采集和化驗(yàn)方法雖然精準(zhǔn)，但存在幾個(gè)明顯的局限：

時(shí)效性差：水體變化非常快，采樣與分析之間可能已經(jīng)發(fā)生了生態(tài)變化。

空間覆蓋有限：一個(gè)湖泊或海灣的樣本點(diǎn)有限，難以反映整個(gè)區(qū)域的情況。

成本較高：人工采樣、實(shí)驗(yàn)室分析費(fèi)用高昂，且不適合頻繁、廣域的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

相比之下，地物光譜儀可以實(shí)現(xiàn)非接觸、快速、廣范圍的監(jiān)測(cè)。它可以安裝在無(wú)人機(jī)、船只，甚至衛(wèi)星平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)大片水域的實(shí)時(shí)觀測(cè)。

從實(shí)驗(yàn)室走向真實(shí)水體

雖然地物光譜技術(shù)起初多用于實(shí)驗(yàn)室或野外固定點(diǎn)的測(cè)量，但隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家現(xiàn)在能夠?qū)⑦@種能力擴(kuò)展至更大尺度。比如通過結(jié)合地面光譜儀測(cè)量與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，研究者可以對(duì)某一水體進(jìn)行模型校正，從而更準(zhǔn)確地推算整個(gè)區(qū)域的生態(tài)參數(shù)分布。

未來(lái)的可能性

隨著人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)的融合，地物光譜儀獲取的數(shù)據(jù)將不再只是簡(jiǎn)單的曲線圖，而是動(dòng)態(tài)、可視化的生態(tài)“體檢報(bào)告”。我們或許可以實(shí)時(shí)預(yù)警水體污染，提前預(yù)測(cè)赤潮爆發(fā)，甚至長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)某一生態(tài)區(qū)的退化與修復(fù)進(jìn)程。

最后

地物光譜儀并不是新鮮的“黑科技”，但在水體生態(tài)研究中，它正發(fā)揮著越來(lái)越關(guān)鍵的作用。科學(xué)并非總是高深莫測(cè)，有時(shí)，只需要一個(gè)看得見“光”的視角，就能讓我們對(duì)藍(lán)色星球有更深的理解。未來(lái)，隨著更多技術(shù)手段的加入，我們對(duì)于水體的監(jiān)測(cè)將更加精準(zhǔn)，也更具前瞻性。

歡迎關(guān)注萊森光學(xué)，了解更多光譜知識(shí)。

萊森光學(xué)(深圳)有限公司是一家提供光機(jī)電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

審核編輯 黃宇