海の光環境と植物プランクトン

地球環境工学科千賀康弘

海洋実習 May 2010

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

●光速 c = 3.0×108 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･･･電磁波

波長(nm)

波長(m)

周波数(s-1) 1031061091012101510181021

光は･･･粒子

]J[]m[

100.31063.6 834

hc

hE

●１個の光子が持つエネルギー

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

6000Kの黒体放射

大気圏外太陽照度 (m=0)

海表面太陽照度 (m=1)

紫外

（オゾン層は紫外線を吸収する）

分子による吸収

太陽定数＝ 1382 [w/m2]

可視赤外

照度と輝度

照度：面Ａの受ける1秒当たりのエネルギー[w/m2]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/(m2sr)] →星の明るさ

Ａ

P

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℃)

3.02.5 3.5波長（um）

水分子の振動は赤色光を吸収する

200 800 1400600400 1000 1200

1+2+31+3

1+3

13

2L1L2

2+L1

1+3

①②

③

④

①②

③

④

海水中の物質による光減衰

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

400 500 600 700

波長 (nm)

吸光

係数

(m-1

) 水植物プランクトン

DOM

100m

0 20 40 60 80 100m

黄色鞭毛藻

緑藻

珪藻

渦鞭毛藻

緑藻

珪藻ハプト藻

ハプト藻

渦鞭毛藻

珪藻

珪藻

Stephanusspeculum

Micromonuspusilla

Pyramimonas sp.

Fragilariastriatula

Thalassiosiraallnii

Gymnodinumalbulum

Emilianiahuxleyi

Imanoniarotunda

Chaetocerosmuelleri

Premnesium

Dinophysisfortii

Gyrodiniumspirale

Biddulphiamobiliensis

Nitzchialongissima

Prorocentrumgracile

Ceratium macroceros

Chaetoceros lorenzianumCoscinodiscussub-bulienThalassinosira

nordenskieeldii

珪藻

植物プランクトンは大きさ、形がいろいろ

植物プランクトンは光合成をして生き抜く

種々の植物に含まれる光合成色素 (藤田, 1980)

植物プランクトンは色で分類できる

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

色の違いは色素の違い

Chlorophyll Carotenoid Phycobilin

a

b

c

Rフィコエリトリン

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実践：クロロフィル点線：フェオフィチン

-カロチン

フコキサンチン

比吸光係数

比吸光係数

吸光

度

吸光

度吸

光度 吸光

度吸

光度

吸光

度吸

光度

吸光

度

波長 (nm)

波長 (nm)

波長 (nm)深いところの植物プランクトンは赤い

青＋赤 青緑 赤吸収する色

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：4r2

体積： 4r3/3

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

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 (2001/6/22)

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？

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)

きれいな海水中で光強度が表面の１％になる深度

020406080

100120140

紫(400nm)

藍(450)

青(480)

緑(500)

黄(580)

橙(600)

赤(700nm)

4921

82

121124

95

深度

(m)

水中照度計 水中輝度計海中の色を測定

● 深い海は藍色の世界

● 深い海の生物は赤い

植物プランクトンはどんな光を使うのか？

海の色は植物プランクトンの色？

フォーレル水色計（海色の色見本）

親潮黒潮

21 3 4 5 6 7 8 9 10 12

水色 １ 水色 7

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

上向

き放

射光

海面

反射

光

水分子植物プランクトン

海底

太陽直達光天空光

デトリタス 溶存物質

海の色は吸収と散乱で決まる

植物プランクトンの生活域

小型動物プランクトン

大型動物プランクトン

小型魚

大型魚

植物プランクトン

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

捕食

捕食

捕食

捕食

太陽光

有光層

食物連鎖

光環境

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

海域による減衰の違い ー有光層とは？

光合成に使われる光(400-700nm)の強さ

深度

(m)

植物プランクトン濃度低

黒潮域有光層

亜寒帯域有光層

亜寒帯域

植物プランクトン濃度高

100 %10 %1 %0.1 %

黒潮域

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

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 青緑色に見える

光合成有効放射量(PAR)= 700

400)( dEd

上向き水中放射輝度 Lu

下向き水中放射照度 Ed 光合成有効放射 EdPAR

太陽放射照度Es

水中放射照度・輝度計（ＰＲＲ－６００/６１

０）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）

宇宙航空開発研究機構（JAXA）提供

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）

センサー面

照度計

センサー面

遮光筒

輝度計

光の波長

400

500

600

700

412

443

490520565

670683

観測波長 (nm)

クロロフィルa の吸収

クロロフィルa の吸収

クロロフィルa の蛍光

透明度の基準

光合

成有

効放

射（P

AR

)

光合成有効放射（PAR）植物が光合成に使うことのできる光(400～700nm)の全光子数単位： mol光子 ・m-2 ・s-1 ( 1mol光子＝ 1 Einstein )

海域による減衰の違いー植物プランクトンとの関係

0 1 2 3 4 5

Stn.01

Stn.02

Stn.04

蛍光 Chla (μg/L)

Stn4

Stn2

Stn1

Stn2 Stn4

0

20

40

60

80

100

深度

(m)

520nm

443nm

670nm

クロロフィル蛍光 下向き放射照度（uWcm-2nm-1） 下向き放射照度（uWcm-2nm-1）

(2009/08/03-04)Stn4

Stn2

水中の光測定

環境情報工学科 千賀康弘

上向き水中放射輝度 Lu

下向き水中放射照度 Ed 光合成有効放射 EdPAR

太陽放射照度Es

水中放射照度・輝度計（ＰＲＲ－６００/６１０）

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）

宇宙航空開発研究機構（JAXA）提供

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）

センサー面

照度計

センサー面

遮光筒

輝度計

光の波長

400

500

600

700

412

443

490520565

670683

観測波長 (nm)

クロロフィルa の吸収

クロロフィルa の吸収

クロロフィルa の蛍光

透明度の基準

光合

成有

効放

射（P

AR

)

光合成有効放射（PAR）植物が光合成に使うことのできる光(400～700nm)の全光子数単位： mol光子 ・m-2 ・s-1 ( 1mol光子＝ 1 Einstein )

Alvedo (Q36)

0

1

2

3

400 450 500 550 600 650 700

Wavelength (nm)

Alb

edo

(%)

1.41

2.69

3.44

4.61

0

10

20

30

40

50

60

70

0.00001 0.001 0.1 10 1000Downward Irradiance (uW/cm2/nm)

Dept

h (

m)

412

443

490

520

565

670

PAR＊

下向き分光放射照度PRR 測定結果（Q36）

EdPAR消散係数

表層反射率スペクトル

Edz/Ed0=0.01 z=48m

Extinction Coefficience of EdPAR

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.1 0.2k (m-1)

Dept

h (

m)

緑の反射が大きく海面は青緑に見える

0

10

20

30

40

50

60

70

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100

Downward Irradiance (uW/cm2/nm)

Dept

h (

m)

412

443

490

520

565

670

PAR＊

下向き分光放射照度PRR 測定結果（Q27C）

EdPAR消散係数

表層反射率スペクトル

Edz/Ed0=0. 2 z=60m

Extinction Coefficience

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.02 0.04 0.06 0.08

k (m-1)

Dept

h (

m)

Alvedo (Q27C)

0

2

4

6

8

10

12

400 450 500 550 600 650 700

Wavelength (nm)

Alb

edo

(%)

1.49

2.71

3.34

4.61

Edz/Ed0=0. 01z=170m

青・緑の反射が大きく海面は黒く見える

クロロフィルaの吸光と蛍

光

波長 (nm)

吸収

係数

(L/（

g・cm

））

蛍光

強度

（相

対値

）

蛍光

検出器（PD）

励起光源（Blue LED)

植物プランクトン

クロロフィル蛍光測定原理

赤色フィルタ

赤色フィルタ

Blue LED

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

照度と輝度 (放射測定法:Radiometry）

2

cos),( dwLEd

2

cos),( dwLEu

4),( dwLE

wsL

cos

SΔS・cosθ

x

y

z

Eu

E

L

Ed

Lcos

4検出 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=E0 e-kz

E

z

0

媒質中で指数関数的に減衰