Ослабление с глубиной освещенности водной толщи и её прозрачность

Свет, проникающий в воду, ослабляется с глубиной вследствие его поглощения и рассеяния. Для оптически пустой воды это явление характеризует экспоненциальная формула Ламберта^[1]:

где R_z и /?о — суммарная радиация на глубине z м и вошедшая в воду, (р + ) — коэффициент жстиикции, т. с. ослабления света (рис. 7.3).

Чем больше примесей в воде — фитопланктона, растворенных окрашенных органических веществ, взвесей, — тем меньше глубина проникновения света. Слой воды, достаточно освещённый для того, чтобы обеспечить энергией процесс фотосинтеза органического вещества в клетках фитопланктона, называется фотическим. В этом слое освещенность /. >0,2 % R₀ — потока света, вошедшего в воду.

В фотическом слое почти полностью поглощается и рассеивается солнечная радиация. Глубже находится афотическая толща воды, Рис. 7.3. Ослабление света с глубиной RJRq в глубоком (90 м) олиготрофном озере (/), в эвтрофном равнинном водохранилище (2) и в малом дистрофном озере (3) с заболоченным водосбором (по: Мишон, 1979). /?₀— проникшая в воду солнечная радиация, SD- прозрачность воды по белому диску, Яфс — толщина фотического слоя, #_АФ— афотическая толща.

где солнечный свет практически отсутствует и фотосинтез невозможен. Если из-за динамического перемешивания, даунвеллинга или конвекции в эту толщу попадают клетки планктонных водорослей, они дышат, но не дробятся, следовательно, не увеличивают свою численность и биомассу. Для питания им может хватить энергии химических реакций, но хлорофилл не преобразует световую энергию, необходимую организмамфотосинтстикам для размножения. На рис. 7.3 видно, что характер ослабления света с глубиной в звтрофном водохранилище при цветении синезеленых водорослей и в дистрофном озере с высоким содержанием в воде растворенных гуминовых веществ сходно.

Прозрачность воды измеряют подводными пираномстрами, воспринимающими солнечную радиацию всех длин волн. Величиной этой гидрооптической характеристики служит отношение освещенности на нижней границе слоя толщиной 1 м к освещенности на его верхней границе, называемое коэффициентом прозрачности воды:

где z — глубина, м.

Уже около полутора веков для интегральной оценки прозрачности воды в верхнем слое водоемов используют очень простой прибор — белый диск диаметром ~30 см. Его погружают в воду на размеченном на дециметры фале или на тросе лебедки до тех пор, пока в тени борта судна сквозь воду видно исчезновение диска. Мерой измеряемой так прозрачности воды служит глубина исчезновения белого диска. Эту характеристику иногда называют относительная прозрачность (глубина видимости) и обозначают аббревиатурой SD-Секки диск^[2].

Самая большая прозрачность SD = 66 м в Саргассовом море Атлантического океана. Байкал славится прозрачностью своей воды. В открытой части южной котловины дважды в год (в июне и в декабре-январе) прозрачность достигает значений SD = 30−40 м. В июле-сентябре в безветренные дни над неглубоким суточным термоклином значение SD уменьшается до нескольких метров из-за увеличения биомассы фитопланктона. Но минимальная прозрачность байкальской воды наблюдалась в пелагиали в марте-апреле (3−4 м) во время подледного «цветения» двух эндемичных видов динофитовых водорослей, что при биомассе 100−200 г/м³ придавало воде буро-коричневый оттенок и запах разлагающегося рыбьего жира^[3]. В незамерзающей зимой центральной части Иссык-Куля SD = 47 м.

Наименьшая прозрачность воды среди крупных озер — в мелководном оз. Ильмень, где она составляет 1−3 м из-за частого взмучивание илов. Такая же прозрачность воды — и в равнинных водохранилищах.

По удвоенному Ж-значению прозрачности ориентировочно оценивается толщина фотического слоя (табл. 7.1).

Таблица 7.1.

Прозрачность воды, толщина фотического Нфс и афотического Н_Лф слоёв летом в озёрах и водохранилищах мира (по: Data Book of World Lake… 1988;1993)

Из данных табл. 7.1 видно, что в крупнейших озёрах прозрачность воды, как правило, больше, чем в долинных водохранилищах. Это объясняется, во-первых, меньшей долей в их водном балансе притока речных вод, содержащих наносы, во-вторых, большим временем пребывания воды в таких озерах. Афотический слой в них в среднем в 20 раз превышает толщину фотического слоя, что способствует лучшему самоочищению экосистемы от аллохтонных и автохтонных минеральных и органических веществ.

Прозрачность воды и ее цвет в каждом водоёме изменяются в течение года из-за неравномерного притока взвешенных веществ в водоём, смены динамических условий их осаждения в различных его участках и взмучивания донных отложений, а также из-за возникновения автохтонных минеральных и органических взвесей, среди которых доминирует обычно фитопланктон.

В цепочке из трёх слабопроточных Бадукских озёр, расположенных в бассейне р. Теберды (в высокогорном поясе Северного Кавказа) отмечено, что летом самое верхнее из них имеет интенсивный голубой цвет, расположенное ниже среднее озеро — зеленовато-голубой, а нижнее — зелёный цвет.

В питающей эту озёрную систему воде мало взвеси. Озёрные воды, перетекая, всё лучше прогревались, и в них увеличивалась численность фитопланктона. Все эти факторы зримо проявились в изменении окраски водной массы каждой ступени озерного каскада.

Подлёдная освещенность водной толщи зимой мала, вопервых, из-за большого альбедо снежно-ледяного покрова. Вовторых, свет частично поглощается и рассеивается структурно неоднородным покровом с изменяющейся в период ледостава толщиной отдельных слоёв и прослоек. Поглощение прямой солнечной радиации на 10−12% сильнее, чем рассеянной (Зайков, 1955). Лёд, содержащий большое количество воды и пузырьков воздуха, — водноснеговой или снеговой, образующийся на кристаллическом льду, имеет ещё больший коэффициент экстинкции. При толщине снежного покрова на льду 6−10 см в подлёдном слое воды свет практически отсутствует. Таким образом, водоёмы, покрытые снежноледяным покровом в зимний период полностью затенены, и в них фотосинтез невозможен.

Но при отсутствии снега на чистом кристаллическом льду при ясной погоде в первые недели ледостава на Можайском водохранилище происходит пересыщение воды кислородом. Это свидетельствует о достаточной освещенности подледного слоя воды для фотосинтеза диатомовых водорослей. Подобное явление наблюдалось на уральском оз. Увильды^[4], на Арахлейских озёрах в Забайкалье в практически бесснежные зимы под кристаллическим льдом толщиной 0,8 м и более.

Ранней весной, после стаивания снега с кристаллического льда на Цимлянском водохранилище, в безоблачный день при большей высоте солнца, чем в начале зимы, фотосинтетичсское пересыщение подледной воды кислородом достигало 200%.

Контролыi ые вопросы:

• 1. Как изменяется годовая величина суммарной солнечной радиации с географической широтой и от года к году?
• 2. Как влияют высота солнца над горизонтом и ветровое волнение на величину отражения солнечной радиации от поверхности водоёма? Что такое альбедо водной поверхности?
• 3. Какие участки спектра солнечной радиации проникают в водоём?
• 4. Какие процессы вызывают поглощение солнечной радиации в оптически пустой воде, в водоёмах с большой концентрацией фитопланктона и в болотной воде?
• 5. Почему поглощение микронного диапазона спектра солнечной радиации повышает температуру воды? И в чём причина усиления поглощения волн ультрафиолетового участка спектра?
• 6. Почему чистая вода синего цвета, а мутная — белёсого?
• 7. От чего зависят величины коэффициентов поглощения и рассеяния света? Чему равен коэффициент экстинкции?
• 8. Какова зависимость коэффициента рассеяния света в оптически пустой воде от длины волны солнечного спектра?
• 9. Как определяют относительную прозрачность воды в водоёме?
• 10. Что такое фотический слой, как определить ориентировочно его толщину в водоёме?
• 11. Какова закономерность ослабления солнечного света в водной толще озёр и водохранилищ в разные сезоны года?
• 12. Каково влияние снежно-ледяного покрова на подлёдную освещенность воды в водоёме и на фотосинтез фитопланктона?

• [1] Ламберт Иоганн Генрих (1728−1777), создатель фотометрии, доказал иррациональность числа л.
• [2] Этим способом патер Секки в 1865 г. первым измерил прозрачность воды в Средиземном море.
• [3] Кожова О. М. О подледном «цветении» озера Байкал // Ботанич. журнал. — 1959. -Т. 44.-№ 7.-С. 1001−1004.
• [4] Эделыитейн К. К., Жидырева Л. Е., Новикова Е. В. Современное состояние озерЮжного Урала // Антропогенные изменения экосистем малых озер. — Кн. 1. — СПб.:Гидрометеоиздат, 1991.-С. 151−154.