Университет Хоккайдо исследует возможности гиперспектральной съемки для выявления скрытых минералов в морском льду
Учёные Университета Хоккайдо разрабатывают новый метод гиперспектральной визуализации (Hyperspectral Imaging, HSI) для обнаружения и количественной оценки криогенных минералов — прежде всего гипса — в морском льду. Этот инновационный подход может помочь лучше понять, как микроскопические кристаллы влияют на океанический углеродный цикл и изменяющуюся полярную среду.
Рисунок 1 - Научно-исследовательское ледокольное судно RV Polarstern во время экспедиции CONTRASTS PS149. Фото: Emiliano Cimoli
Обнаружение микроскопического кристалла, заключённого внутри более крупного кристалла льда, представляет собой серьёзную задачу даже для современных микроскопов. Особенно остро эта проблема проявляется в полевых полярных исследованиях, где ограничены время и объём образцов. Хотя экспертная оценка может помочь в идентификации минералов, традиционные ручные методы являются медленными, субъективными и трудоёмкими, что затрудняет автоматизацию и количественную оценку содержания минералов в различных типах льда.
Для преодоления этих ограничений исследователи Университета Хоккайдо при поддержке Института Альфреда Вегенера (AWI) и с использованием уникальных арктических исследовательских возможностей судна RV Polarstern тестируют гиперспектральную съёмку как более быстрый и объективный метод. Используя характерные спектральные «отпечатки» криогенных минералов в ближнем и коротковолновом инфракрасном диапазонах (NIR/SWIR), HSI позволяет эффективно и неразрушающе идентифицировать и количественно оценивать минералы в морском льду.
Рисунок 2 - Бурение кернов морского льда. Фото: Emiliano Cimoli
Рисунок 3 - Образец керна морского льда. Фото: Emiliano Cimoli
Гипс — недооценённый минерал с важной ролью в океане
Морской лёд представляет собой динамичную многофазную систему, в которой формируются криогенные минералы, размеры которых варьируются от менее 10 мкм до более 1000 мкм. Один из таких минералов — гипс (сульфат кальция, CaSO₄·2H₂O) — долгое время оставался вне фокуса полярных исследований, несмотря на его потенциальную значимость.
Предполагается, что гипс может выступать в роли «балластного агента», способствуя осаждению органического вещества из поверхностных слоёв океана в глубинные — ключевой процесс глобального углеродного цикла.
Однако гипс легко растворяется в процессе отбора, транспортировки и обработки проб, вследствие чего его присутствие исторически недооценивалось. В результате его экологическая роль и пространственное распределение остаются слабо изученными.
Рисунок 4 - Д-р Эмилиано Чимоли и д-р Кейго Д. Такахаси обрабатывают образцы кернов морского льда. Фото: Emiliano Cimoli
Адаптация геологических методов визуализации к полярным исследованиям
Цель команды — использовать HSI для обнаружения и количественной оценки гипса и связанных с ним криогенных минералов непосредственно на фильтрах, на которых осаждаются частицы из расплавленных кернов морского льда.
Данный метод позволяет проводить практически оперативное обнаружение минералов в полевых условиях и выполнять полуавтоматизированный анализ различных типов льда, сезонов и регионов.
В условиях стремительных изменений морского льда поиск эффективных методов анализа становится особенно актуальным.
Рисунок 5 - Отфильтрованный образец льда с потенциальным содержанием минералов. Фото: Emiliano Cimoli
Specim FX17
Гиперспектральная камера Specim FX17 идентифицирует минералы по их уникальным полосам поглощения в диапазоне длин волн от 900 до 1700 нм. Работая в ближнем инфракрасном диапазоне, она позволяет выявлять свойства материалов, невидимые для стандартных оптических приборов.
Команда Чимоли использует Specim FX17 с макрообъективом (пространственное разрешение около 10 мкм) и контролируемым освещением для тестирования полевой, адаптируемой методики сканирования фильтров, полученных из расплавленных кернов морского льда, и количественной оценки минерального состава.
Успешная оценка присутствия и распределения минералов позволит связать эти данные с такими характеристиками морского льда, как температурная история, пористость и сезонная стадия развития.
Рисунок 6 - Рабочая станция Specim FX17 с макрообъективом. Фото: Emiliano Cimoli
Надёжный выбор для экстремальных условий исследований
Это не первый опыт работы д-ра Чимоли с технологиями Specim. Во время своей докторской диссертации он использовал камеру Specim AisaKESTREL10 для подлёдной съёмки сообществ ледовых водорослей — ещё одной сложной оптической задачи в экстремальных условиях.
Помимо технических характеристик, он отмечает надёжность оборудования Specim и оперативную техническую поддержку как ключевые факторы для полевых исследований.
Рисунок 7 - Д-р Кейго Д. Такахаси во время полевых работ на морском льду. Фото: Emiliano Cimoli
Испытание методики на борту RV Polarstern
Команда Университета Хоккайдо протестировала свою HSI-методику на борту немецкого научно-исследовательского ледокола RV Polarstern в ходе экспедиции CONTRASTS PS149 под руководством AWI. Эта междисциплинарная миссия изучала влияние атмосферной и океанической изменчивости на таяние арктического морского льда и связанные с ним экосистемы.
Проект объединил исследовательские группы из Японии, Германии и Австралии, предоставив уникальную возможность проверить метод гиперспектральной съёмки в реальных полярных условиях. Тесное взаимодействие с программами AWI по физике и биологии морского льда позволило интегрировать оптические методы в междисциплинарное понимание изменений в Арктике.
Рисунок 8 - RV Polarstern. Фото: Университет Хоккайдо
Вывод
Объединяя передовые технологии визуализации с полевыми рабочими процессами, проект Университета Хоккайдо демонстрирует, как гиперспектральная съёмка может выявить ранее скрытые особенности состава морского льда.
Этот подход открывает перспективу быстрого, неразрушающего и стандартизированного обнаружения минералов, помогая учёным глубже понять эволюцию полярных экосистем. В условиях ускоряющихся изменений морского льда такие инновации становятся критически важными для комплексного изучения «замороженных рубежей» нашей планеты.
