Уточнение роли прозрачности воды в управлении прибрежными районами

Прозрачность воды является ключом к здоровью и восстановлению морских растений и животных во всем мире, особенно в мелководных прибрежных системах, таких как Чесапикский залив. Но оказывается, что измерение прозрачности воды не так однозначно, как может показаться.

Исследования Виргинского института морских наук под руководством доктора Джесси Тернер показывают, что «прозрачность» участка воды зависит от метода, используемого для ее измерения, и что разные исследовательские вопросы и управленческие решения требуют разных инструментов и методов измерения прозрачности. Тернер и ее соавторы, Drs. Келси Фолл и Карл Фридрихс изложили свои рекомендации в недавней статье в Письма о лимнологии и океанографии.

«В прибрежных и внутренние воды— говорит Тернер, — методы, которые мы используем для измерения прозрачность воды может исказить световой климат под водой, используемый для определения целей восстановления, таких как потенциальная среда обитания, доступная для подводных трав. Таким образом, очень важно выбрать наиболее подходящий метод измерения и четко указать используемый метод. Не все показатели чистоты воды одинаковы».

Подводные травы выполняют множество ключевых экологических функций и являются одними из наиболее тщательно контролируемых мест обитания в заливе. Они обеспечивают пищу и убежище для многочисленных морских видов, помогают насыщать воду кислородом и могут смягчить глобальное потепление, удаляя углекислый газ из воздуха. Для этого им нужна чистая вода для фотосинтеза и роста. Их зависимость от чистой воды делает их «канарейками в угольной шахте» из-за прозрачности воды в мелководных прибрежных системах.

Вода и пиво

Чтобы объяснить сложность прозрачности воды и ее измерения, Тернер обращается к аналогии с пивом — еще одной жидкостью, «прозрачность» которой вызывает всеобщий интерес. По иронии судьбы, научный принцип, используемый для определения прозрачности пива и других жидкостей, известен как закон Бера (ирония в том, что этот принцип был впервые применен к вину, а не к пиву, и вдвойне потому, что закон назван в честь немецкого химика Августа Бира, а не хмелевой напиток).

«Закон Бера говорит нам, что количество света, проходящего через жидкость, зависит от концентрации веществ в жидкости и расстояния, на котором вы измеряете», — говорит Тернер.

Итак, что такое “вещи”?

«В пиве, — говорит Тернер, — это либо частицы, такие как дрожжи и хмель, либо растворенные вещества, такие как сахар или дубильные вещества, полученные в процессе пивоварения. В Чесапикском заливе «веществом» могут быть такие частицы, как крошечные кусочки грязи и микроскопические или растворенный органическая материя и другие растворенные вещества». Растворенное органическое вещество представляет собой землистый чай, приготовленный из опавших листьев, растительных остатков, почвы и других углеродсодержащих материалов из залива и его водораздела.

Важно отметить, что твердые частицы и растворенные вещества по-разному препятствуют свету. «Когда свет падает на воду или пиво, он может либо рассеиваться, либо поглощаться», — говорит Тернер. «Частицы рассеивают свет, растворенные вещества поглощают свет».

Относительное содержание твердых частиц и растворенных материалов в совокупности создает различную световую среду. В районах Чесапикского залива с высоким уровнем как светорассеивающих частиц, так и светопоглощающих растворенных веществ вода темная, как крепкая вода. В областях с большим количеством светорассеивающих частиц, но с небольшим количеством поглощающих свет растворенных веществ вода мутная, но яркая, как мутный эль. Области с небольшим количеством частиц или растворенных веществ наиболее прозрачны, например, сидр.

Диски Секки и датчики света

Эти различия имеют важные последствия, если рассматривать их в свете множества инструментов и методов, которые ученые используют для измерения прозрачности воды. Двумя распространенными оптическими инструментами являются диски Секки и датчики света. Ученые также напрямую измеряют концентрацию взвешенных частиц, растворенных веществ и хлорофилла (пигмента, который растения и планктон используют для захвата солнечного света для фотосинтеза).

«Диск Секки — это простой черно-белый диск, который вы опускаете горизонтально в воду», — объясняет Тернер. «Глубина, на которой он исчезает из поля зрения, известна как глубина Секки». Этот дешевый, простой в развертывании и давно используемый инструмент измеряет прозрачность воды и глубину видимости объектов.

Датчики света измеряют потерю или ослабление солнечного света по мере его проникновения глубже в воду, уделяя особое внимание длинам волн, которые растения используют для фотосинтеза. Записанные значения сравниваются с данными, собранными наземным датчиком, чтобы учесть различия в поступающем свете из-за облаков и времени суток.

Хотя достижения в области электроники и материалов снизили стоимость и увеличили использование датчиков света, диски Секки остаются повседневной рабочей лошадкой многих исследований прозрачности воды, проводимых как профессиональными исследователями, так и растущим штатом общественных ученых.

По словам Тернер и ее соавторов, проблемы возникают, когда специалисты-практики применяют традиционное универсальное уравнение для оценки ослабления света по значениям глубины по Секки. Это связано с тем, что взаимосвязь между этими двумя показателями может сильно различаться в зависимости от местного светового климата — будь то место подводного исследования темным, как стаут, ярким, но мутным, как эль, или прозрачным, как сидр.

«Взаимосвязь между этими двумя показателями может сильно различаться между эстуариями и другими водными средами и внутри них в зависимости от широты, гидрологии и климата», — говорит Тернер. «Использование единого коэффициента преобразования для оценки ослабления света на основе глубины Секки может, таким образом, либо занижать, либо переоценивать световой климат под водой».

Например, в мутных водах реки Йорк, крупного притока Чесапикского залива, использование традиционного коэффициента преобразования приведет к недооценке света, доступного для морских водорослей, и, таким образом, недооценит потенциальные цели восстановления.

Рекомендации

Чтобы противостоять этой и связанным с ней трудностям, Тернер и его коллеги рекомендуют несколько изменений в том, как измеряется и сообщается прозрачность воды. Наиболее важно четко указать используемый метод — будь то глубина Секки по диску Секки, затухание света или другой метод.

Для исследований, связанных с подводными травами и другими светолюбивыми организмами, авторы советуют коллегам напрямую собирать значения ослабления света.

«Измерения ослабления света с глубиной наиболее важны для большинства исследований водных экосистем», — говорит Тернер. «Они хорошо подходят для исследований подводных трав, водорослей и кораллов, поскольку эти и другие подобные организмы приспособлены для сбора нисходящего света». Авторы рекомендуют использовать отдельную, «скалярную» меру ослабления света при изучении фитопланктона, который как плавающие организмы может собирать свет со всех направлений, как нисходящий, так и рассеянный сбоку и снизу.

Если соображения стоимости или другие факторы побуждают к использованию дисков Секки, авторы советуют исследователям отказаться от использования традиционного универсального уравнения, рекомендуя вместо этого откалибровать формулу глубины Секки по ослаблению света, используя локальные измерения. «Уравнение необходимо откалибровать локально, потому что характеристики растворенной и твердые частицы сильно различаются, иногда на очень коротких расстояниях», — говорит Тернер. «Эти характеристики также могут меняться в зависимости от сезона».

Поскольку значения глубины Секки измеряют видимость и прозрачность, авторы говорят, что их прямое применение наиболее подходит для изучения рыб и других визуальных хищников. Они отмечают, что они также имеют ценность в человеческом контексте, в таких областях, как отдых на воде, а также ценность прибрежной собственности и пейзажей.

Какие бы методы ни использовала исследовательская группа, авторы призывают их выбирать наиболее полезную метрику или метрики в соответствии с конкретным вопросом исследования или целью управления.

«Когда это имеет отношение к цели, — говорит Тернер, — даже самые простые измерения прозрачности воды имеют ценность для мониторинга и восстановления окружающей среды, независимо от того, собираются ли они в рамках научных программ отбора проб, некоммерческих организаций или общественных ученых».