Vol. 38, issue 05, article # 6

Abstract:

The development of the deep underwater neutrino telescope BAIKAL-GVD involves the creation of equipment for regular long-term monitoring of inherent optical properties (IOP) of the aquatic environment within the effective volume of the telescope. Regular monitoring of IOP not only allows increasing the accuracy of retrieving neutrino energy and direction, but also provides unique data for limnological studies. The article describes the design of the BAIKAL–5D devices developed to solve this problem and considers the methods and algorithms for in situ monitoring of IOP used in these devices. The sources of instrumental error in measuring the absorption and scattering of light in water are investigated and the necessary corrections are determined. Some results of measuring IOP of the deep waters of Lake Baikal using BAIKAL–5D devices are presented.

Keywords:

inherent optical properties, absorption, scattering, volume scattering function, long-term monitoring, Lake Baikal

References:

1. Aynutdinov V.M., Allakhverdyan V.A., Avrorin A.D., Avrorin A.V., Bardačová Z., Belolaptikov I.A., Bondarev E.A., Borina I.V., Budnev N.M., Chadymov V.A., Chepurnov A.S., Dik V.Y., Domogatsky G.V., Doroshenko A.A., Dvornický R., Dyachok A.N., Dzhilkibaev Zh.A.M., Eckerová E., Elzhov T.V., Fajt L., Fomin N., Gafarov A.R., Golubkov K.V., Gorshkov N.S., Gress T.I., Kebkal K.G., Kharuk I.V., Khramov E.V., Kolbin M.M., Koligaev S.O., Konischev K.V., Korobchenko A.V., Koshechkin A.P., Kozhin V.A., Kruglov M.V., Kulepov V.F., Lemeshev Y.E., Milenin M.B., Mirgazov R.R., Naumov D.V., Nikolaev A.S., Petukhov D.P., Pliskovsky E.N., Rozanov M.I., Ryabov E.V., Safronov G.B., Seitova D., Shaybonov B.A., Shelepov M.D., Shilkin S.D., Shirokov E.V., Šimkovic F., Sirenko A.E., Skurikhin A.V., Solovjev A.G., Sorokovikov M.N., Štekl I., Stromakov A.P., Suvorova O.V., Tabolenko V.A., Ulzutuev B.B., Yablokova Y.V., Zaborov D.N., Zavyalov S.I., Zvezdov D.Y. The BAIKAL-GVD neutrino telescope: Current status and development prospect // Phys. Atom. Nucl. 2023. V. 86, N 6. P. 989–994. DOI: 10.1134/s1063778824010101.
2. Shifrin K.S. Vvedenie v optiku okeana. L.: Gidrometeoizdat, 1983. 280 p.
3. Riccobene G., Capone A. Deep seawater inherent optical properties in the Southern Ionian Sea // Astropart. Phys. 2007. V. 27, N 1. P. 1–14. DOI: 10.1016/j.astropartphys.2006.08.006.
4. Bailly N., Bedard J., Böhmer M., Bosma J., Brussow D., Cheng J., Clark K., Croteau B., Danninger M., De Leo F., Deis N., Ens M., Fox R., Fruck C., Gärtner A., Gernhäuser R., Ghuman D., Grant D., He H., Henningsen F., Holzapfel K., Hotte R., Jenkyns R., Johnson H., Katil A., Kopper C., Krauss C.B., Kulin I., Leismüller K., Leys S., Lin T., Macoun P., Man M., McElroy T., Meighen-Berger S., Michel J., Moore R., Morley M., Papp L., Pirenne B., Qiu T., Rankin M., Rea I.C., Resconi E., Round A., Ruskey A., Rutley R., Spannfellner C., Stacho J., Timmerman R., Tomlin M., Tradewell M., Traxler M., Uganecz M., Wagner S., Yañez J.P., Zheng Y. Two-year optical site characterization for the Pacific Ocean Neutrino Experiment (P-ONE) in the Cascadia Basin // Eur. Phys. J. C. 2021. V. 81, N 12. P. 1071. DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-09872-5.
5. Anassontzis E.G., Ball A.E., Belias A., Fotiou A., Grammatikakis G., Kontogiannis H., Koske P., Koutsoukos S., Lykoussis V., Markopoulos E., Psallidas A., Resvanis L.K., Siotis I., Stavrakakis S., Stavropoulos G., Zhukov V.A. Water transparency measurements in the deep Ionian Sea // Astropart. Phys. 2010. V. 34, N 4. P. 187–197. DOI: 10.1016/j.astropartphys.2010.06.008.
6. Li M.E., Fedorov S.V. Spektral'nyi izmeritel' prozrachnosti morskoi vody na osnove mnogotsvetnogo svetodioda // Trudy X Yubileinoi Vserossiiskoi konferentsii «Sovremennye problemy optiki estestvennykh vod». SPb, 2019. P. 292–297.
7. Moore С., Zaneveld J.R.V., Kitchen J.C. Preliminary results from an in situ spectral absorption meter // Proc. SPIE. 1992. P. 330–337.
8. Man'kovskii V.I. Spektral'nyi laboratornyi prozrachnomer s peremennoi bazoi // Sistemy kontrolya okruzhayushchei sredy. 2012. Iss. 17. P. 56–60.
9. Man'kovskii V.I. Harakteristiki indikatris rasseyaniya sveta v vodakh oz. Baikal // Avtomatizatsiya limnologicheskikh issledovanii i svetovoi rezhim vodoemov. Novosibirsk: Nauka, 1984. P. 125–137.
10. Seabird. Аc-s Spectral Absorption and Attenuation Sensor: Ac-s In-Situ Spectrophotometer Datasheet. URL: www.seabird.com (last access: 20.09.2024).
11. Hobilabs. Gamma-4 Spectral Transmissometer: Gamma-4 Spectral Transmissometer Manual. URL: www.hobilabs. com (last access: 20.09.2024).
12. Hobilabs. A-Sphere In-Situ Spectrophotometer: A-Sphere In-Situ Spectrophotometer Manual. URL: www.hobilabs. com (last access: 20.09.2024).
13. Balkanov V., Belolaptikov I., Bezrukov L., Budnev N., Capone A., Chensky A., Danilchenko I., Domogatsky G., Dzhilkibaev Zh.-A., Fialkovsky S., Gaponenko O., Gress O., Gress T., Il’yasov R., Klabukov A., Klimov A., Klimushin S., Konischev K., Koshechkin A., Kuznetzova Vy., Kuzmichev L., Kulepov V., Lubsandorzhiev B., Masullo R., Migneco E., Mikheyev S., Milenin M., Mirgazov R., Moseiko N., Osipova E., Panfilov A., Pan’kov L., Parfenov Yu., Pavlov A., Petruccetti M., Pliskovsky E., Pokhil P., Poleschuk V., Popova E., Prosin V., Riccobene G., Rozanov M., Rubtzov V., Semeney Yu., Spiering Ch., Streicher O., Tarashansky B., Vasiljev R., Wischnewski R., Yashin I., Zhukov V. Simultaneous measurements of water optical properties by AC-9 transmissometer and ASP-15 inherent optical properties in Lake Baikal // Nucl. Instrum. Meth. 2003. V. A298. P. 231–239. DOI: 10.1016/S0168-9002(02)01789-8.
14. Avrorin A., Aynutdinov V., Belolaptikov I., Bogorodsky D., Budnev N., Danilchenko I., Domogatsky G., Doroshenko A., Dyachok A., Dzhilkibaev Z., Fialkovsky S., Gaponenko O., Golubkov K., Gress O., Gress T., Grishin O., Karnaukhov V., Klabukov A., Konischev K., Koshechkin A., Koshel’ F., Korobchenko A., Kulepov V., Kuleshov D., Kuzmichev L., Lyashuk V., Milenin M., Mirgazov R., Osipova É., Pan’kov A., Pankov L., Panfilov A., Perevalov A., Petukhov D., Pliskovsky E., Poleschuk V., Rastegin A., Rozanov M., Rubtzov V., Ryabov E., Sheifler A., Shoibonov B., Spiering C., Suvorova O., Tarashansky B., Wischnewski R., Yagunov A.S., Zagorodnikov A., Zhukov V. ASP-15 – A stationary device for the measurement of the optical water properties at the NT200 neutrino telescope site // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2012. V. 693. P. 186–194. DOI: 10.1016/j.nima.2012.06.035.
15. Tarashchanskii B.A., Kokhanenko G.P., Mirgazov R.R., Ryabov E.V., Yagunov A.S. Metody i rezul'taty monitoringa opticheskikh kharakteristik vodnoi sredy baikal'skogo neitrinnogo teleskopa, osushchestvlyaemogo statsionarnym glubokovodnym priborom ASP-15 // Optika atmosf. i okeana. 2010. V. 23, N 9. P. 793–802.
16. Bauer D., Brun-Cottan J.C., Saliot A. Principe d’une measure direct dans l’eau de mer du coefficient d’absorption de la lumier // Cah. Oceanogr. 1971. V. 23, N 9. P. 841–858.
17. Burenkov V.I., Vasil'kov A.P., Shifrin K.S. i dr. Optika okeana: v 2 t. T. 1. Fizicheskaya optika okeana. M.: Nauka, 1983. 371 p.
18. Pelevin V.N., Prokudina T.M. Opredelenie velichiny pokazatelya pogloshcheniya sveta morskoi vodoi po parametram polya izotropnogo istochnika // Optika okeana i atmosfery. L.: Nauka, 1972. P. 148–157.
19. Budnev N.M., Kokhanenko G.P., Mirgazov R.R., Tarashchanskii B.A. Chislennoe modelirovanie anomal'nykh prostranstvennykh raspredelenii osveshchennosti, poluchaemykh v khode izmerenii pokazatelya pogloshcheniya sveta baikal'skoi vodoi // Optika atmosf. i okeana. 2006. V. 19, N 4. P. 351–359.
20. Ryabov E., Tarashansky B. Monitoring of optical properties of deep lake water // J. Instrum. 2021. V. 16. P. 09001. DOI: 10.1088/1748-0221/16/09/C09001.
21. Man'kovskii V.I. Spektral'naya izmenchivost' indikatris rasseyaniya sveta morskoi vodoi // Okeanologiya. 1984. V. 24, iss. 1. P. 63–69.
22. Chami M., Shybanov E.B., Khomenko G.A., Lee M.E.-G., Martynov O.V., Korotaev G.K. Spectral variation of the volume scattering function measured over the full range of scattering angles in a coastal environment // Appl. Opt. 2006. V. 45, N 15. P. 3605–3619. DOI: 10.1364/AO.45.003605.
23. Baikalovedenie / pod red. O.T. Rusinek, V.V. Takhteev, D.P. Gladkochub i dr. V 2 kn.: Novosibirsk, 2012. Kn. 1. 237 p.
24. Tarashchanskii B.A. Metody monitoringa i rezul'taty izmerenii opticheskikh svoistv vodnoi sredy v raione baikal'skogo neitrinnogo teleskopa NT-200: dis. ... kand. fiz.-mat. nauk., M. IYaI RAN, 1999. 131 p.
25. Petzold T.J. Volume scattering function for selected ocean waters. San Diego, 1972. P. 79.
26. Man'kovskii V.I. O spektral'noi izmenchivosti koeffitsienta asimmetrii indikatrisy rasseyaniya sveta v vodakh oz. Baikal // Optika atmosf. i okeana. 2022. V. 35, N 10. P. 868–870. DOI: 10.15372/AOO20221010.
27. Kopelevich O.V. Eksperimental'nye dannye ob opticheskikh svoistvakh morskoi vody // Fizicheskaya optika okeana. L.: Nauka, 1983. P. 168.
28. Man'kovskii V.I. Izmenenie koeffitsienta asimmetrii indikatrisy rasseyaniya sveta prirodnykh vod, soderzhashchikh organicheskie chastitsy // Izv. RAN. Fiz. atmosf. i okeana. 2016. V. 52, N 3. P. 373–378. DOI: 10.7868/S0002351516030081.
29. Pope R.M., Fry E.S. Absorption spectrum (380–700 nm) of pure water // Appl. Opt. 1997. V. 36, N 33. P. 8710–8722. DOI: 10.1364/AO.36.008710.