Чистота воды имеет ключевое значение для здоровья и восстановления морских растений и животных во всем мире, особенно в мелководных прибрежных системах, таких как Чесапикский залив. Но оказалось, что измерение прозрачности воды не так однозначно, как может показаться.

Исследование, проведенное в Вирджинском институте морских наук под руководством доктора Джесси Тернер, показало, что "прозрачность" водного участка зависит от метода, используемого для ее измерения, и что различные исследовательские вопросы и управленческие решения заслуживают различных инструментов и методов измерения прозрачности. Тернер и ее соавторы, доктора Келси Фолл и Карл Фридрихс, изложили свои рекомендации в недавней статье в журнале Limnology and Oceanography Letters.

"В прибрежных и внутренних водах, - говорит Тернер, - методы, которые мы используем для определения прозрачности воды, могут исказить картину подводного светового климата, используемого для определения целей восстановления, например, потенциальной среды обитания для подводных трав. Поэтому очень важно выбрать наиболее подходящий метод измерения и четко описать используемый метод. Не все метрики водной чистоты созданы одинаковыми".

Подводные травы выполняют множество ключевых экологических функций и являются одной из наиболее тщательно отслеживаемых сред обитания в заливе. Они обеспечивают пищу и убежище для многочисленных морских видов, помогают насытить воду кислородом и могут смягчить глобальное потепление, удаляя углекислый газ из воздуха. Для этого им необходима чистая вода для фотосинтеза и роста. Их зависимость от чистой воды делает их "канарейкой в угольной шахте" для определения чистоты воды в мелководных прибрежных системах.

Чтобы объяснить сложности, связанные с прозрачностью воды и ее измерением, Тернер обращается к аналогии с пивом - еще одной жидкостью, "прозрачность" которой вызывает всеобщий интерес. Как ни странно, научный принцип, используемый для определения прозрачности пива и других жидкостей, известен как закон Пивоварова (иронично, поскольку этот принцип был впервые применен к вину, а не к пиву, и вдвойне, поскольку закон назван в честь немецкого химика Августа Пивоварова, а не хмельного напитка).

"Закон Пива говорит нам, что количество света, проходящего через жидкость, зависит от концентрации вещества в жидкости и расстояния, которое вы измеряете", - говорит Тернер.

Так что же это за "вещество"?

"В пиве, - говорит Тернер, - это либо частицы, такие как дрожжи и хмель, либо растворенные вещества, такие как сахар или танины, образующиеся в процессе пивоварения". В Чесапикском заливе "вещество" может быть частицами, такими как крошечные кусочки грязи и микроскопические растения, или растворенными органическими веществами и другими растворителями". Растворенное органическое вещество - это земляной чай, приготовленный из листовой подстилки, растительных остатков, почвы и других углеродных материалов из залива и его водосборного бассейна.

Очень важно, что твердые частицы и растворенные вещества по-разному препятствуют проникновению света. "Когда свет попадает на воду или пиво, он может либо рассеиваться, либо поглощаться", - говорит Тернер. "Частицы рассеивают свет, а растворенные вещества поглощают его".

Относительное количество твердых частиц и растворенных веществ в совокупности создает различную световую среду. В районах Чесапикского залива с высоким содержанием как рассеивающих свет частиц, так и поглощающих свет растворенных веществ, вода темная, как стаут. В местах, где много светорассеивающих частиц, но мало светопоглощающих растворителей, вода мутная, но светлая, как мутный эль. Участки с малым количеством частиц или растворителей наиболее прозрачны, как сидр.

Эти различия имеют важные последствия, если рассматривать их в свете многочисленных инструментов и методов, которые ученые используют для измерения прозрачности воды. Двумя распространенными оптическими инструментами являются диски Секки и световые датчики. Ученые также непосредственно измеряют концентрацию взвешенных частиц, растворенных веществ и хлорофилла (пигмента, с помощью которого растения и планктон улавливают солнечный свет для фотосинтеза).

"Диск Секки - это простой черно-белый диск, который вы опускаете горизонтально в воду", - объясняет Тернер. "Глубина, на которой он исчезает из виду, называется глубиной Секки". Этот дешевый, простой в развертывании и давно используемый инструмент измеряет прозрачность воды и глубину видимости объектов.

Световые датчики измеряют потерю или ослабление солнечного света по мере его проникновения вглубь воды, уделяя особое внимание длинам волн, которые растения используют для фотосинтеза. Зарегистрированные значения сравниваются с данными, собранными поверхностным датчиком, чтобы учесть различия в поступающем свете из-за облаков и времени суток.

Хотя достижения в области электроники и материалов позволили снизить стоимость и расширить применение световых датчиков, диски Секки остаются повседневной рабочей лошадкой во многих исследованиях водной среды, проводимых как профессиональными исследователями, так и растущим числом общественных ученых.

По словам Тернер и ее соавторов, проблемы возникают, когда специалисты применяют традиционное универсальное уравнение для оценки ослабления света по значениям глубины Сечи. Это происходит потому, что соотношение между этими двумя показателями может сильно варьироваться в зависимости от местного светового климата - является ли место подводных исследований темным, как стаут, светлым, но мутным, как эль, или прозрачным, как сидр.

"Взаимосвязь между этими двумя показателями может сильно варьироваться 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 занизить, либо завысить оценку подводного светового климата".

Например, в мутных водах реки Йорк, крупного притока Чесапикского залива, использование традиционного коэффициента пересчета недооценит количество света, доступного для морских трав, и, таким образом, сократит потенциальные цели реставрации.
Рекомендации

Для преодоления этой и других трудностей Тернер и его коллеги рекомендуют внести ряд изменений в методы измерения и отчетности о прозрачности воды. Наиболее важным является четкое информирование об используемом методе - глубина по диску Секки, ослабление света или другой метод.

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

"Измерения ослабления света с глубиной наиболее актуальны для большинства исследований в водных экосистемах", - говорит Тернер. "Они хорошо подходят для исследований с участием подводных трав, ламинарий и кораллов, поскольку эти и другие подобные организмы приспособлены для сбора падающего света". Авторы рекомендуют использовать отдельную, "скалярную" меру ослабления света при изучении фитопланктона, который как плавающие организмы может собирать свет со всех направлений, как падающий, так и рассеянный сбоку и снизу.

Если соображения стоимости или другие факторы побуждают использовать диски Секки, авторы советуют исследователям отказаться от использования традиционного универсального уравнения, рекомендуя вместо этого откалибровать формулу глубины Секки до ослабления света, используя местные показатели. "Уравнение должно быть откалибровано на местном уровне, потому что характеристики растворенных и твердых частиц в воде сильно варьируются, иногда на очень коротких расстояниях", - говорит Тернер. "Эти характеристики также могут меняться по сезонам".

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

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

"Если цель актуальна", - говорит Тернер, - "даже самые простые измерения прозрачности воды имеют ценность для экологического мониторинга и восстановления, независимо от того, собираются ли они научными программами отбора проб, некоммерческими организациями или общественными учеными".