Роль прозрачности воды в управлении прибрежными экосистемами требует уточнения
Прозрачность воды критически важна для здоровья и восстановления морских растений и животных, особенно в мелководных прибрежных системах, таких как Чесапикский залив. Однако измерение прозрачности воды — не такая простая задача, как может показаться.
Исследование Виргинского института морских наук под руководством доктора Джесси Тёрнер показывает, что «прозрачность» водной массы зависит от метода её измерения, а разные исследовательские задачи и управленческие решения требуют разных инструментов и методик. Свои рекомендации Тёрнер и её соавторы, доктора Келси Фолл и Карл Фридрихс, изложили в недавней статье в Limnology and Oceanography Letters.
«В прибрежных и внутренних водах методы, которые мы используем для оценки прозрачности воды, могут искажать картину подводного светового климата, используемую для определения целей восстановления, например, потенциальной среды обитания для подводных трав. Поэтому крайне важно выбирать наиболее подходящий метод измерения и чётко сообщать о его использовании. Не все метрики прозрачности воды равнозначны».
Подводные травы выполняют множество ключевых экологических функций и являются одной из наиболее тщательно отслеживаемых сред обитания в заливе. Они обеспечивают пищу и укрытие для многочисленных морских видов, помогают насыщать воду кислородом и могут смягчать глобальное потепление, поглощая углекислый газ из воздуха. Для этого им нужна прозрачная вода для фотосинтеза и роста. Их зависимость от прозрачности воды делает их «канарейкой в угольной шахте» для состояния мелководных прибрежных систем.
Вода и пиво
Чтобы объяснить сложности прозрачности воды и её измерения, Тёрнер использует аналогию с пивом — другой жидкостью, «прозрачность» которой представляет широкий интерес. Ирония в том, что научный принцип, используемый для определения прозрачности пива и других жидкостей, известен как закон Бугера — Ламберта — Бера (Beer's Law).
«Закон Бера говорит нам, что количество света, проходящего через жидкость, зависит от концентрации веществ в жидкости и расстояния, на котором вы измеряете», — говорит Тёрнер.
Что это за «вещества»?
- В пиве: это частицы, такие как дрожжи и хмель, или растворённые вещества, такие как сахар или танины.
- В Чесапикском заливе: «веществами» могут быть частицы (крошечные частицы грязи и микроскопические растения) или растворённое органическое вещество и другие растворённые вещества. Растворённое органическое вещество — это «чай», настоянный на листовом опаде, остатках урожая, почве и других углеродных материалах из водосборного бассейна.
Ключевой момент: взвешенные частицы и растворённые вещества препятствуют прохождению света по-разному.
«Когда свет попадает в воду или пиво, он может либо рассеяться, либо поглотиться. Частицы рассеивают свет, растворённые вещества поглощают свет».
Сочетание этих материалов создаёт разные световые среды. В районах залива с высоким уровнем и светорассеивающих частиц, и светопоглощающих веществ вода тёмная, как стаут. Там, где много частиц, но мало растворённых веществ, вода мутная, но яркая, как мутный эль. Районы с малым количеством частиц или веществ наиболее прозрачны, как сидр.
Диск Секки и световые сенсоры
Эти различия имеют важные последствия с учётом множества инструментов и методик, которые учёные используют для измерения прозрачности воды. Два распространённых оптических инструмента — это диск Секки и световые сенсоры. Учёные также напрямую измеряют концентрацию взвешенных частиц, растворённых веществ и хлорофилла (пигмента, который растения и планктон используют для фотосинтеза).
- Диск Секки — это простой чёрно-белый диск, который опускают в воду горизонтально. Глубина, на которой он исчезает из виду, называется глубиной Секки. Этот дешёвый, простой в использовании и давно применяемый инструмент измеряет прозрачность воды и глубину видимости объекта.
- Световые сенсоры измеряют потерю или ослабление солнечного света с глубиной, фокусируясь на длинах волн, которые растения используют для фотосинтеза.
Хотя прогресс в электронике и материалах снизил стоимость и увеличил использование световых сенсоров, диски Секки остаются основным рабочим инструментом многих исследований, как профессиональных учёных, так и сообществ гражданской науки.
Проблемы возникают, когда практики применяют традиционное универсальное уравнение для оценки ослабления света на основе значений глубины Секки. Связь между этими двумя метриками может сильно варьироваться в зависимости от местного светового климата — является ли подводный участок тёмным, как стаут, ярким, но мутным, как эль, или прозрачным, как сидр.
«Использование единого коэффициента пересчёта для оценки ослабления света на основе глубины Секки может как занизить, так и завысить оценку подводного светового климата».
Например, в мутных водах реки Йорк использование традиционного коэффициента привело бы к недооценке света, доступного для морских трав, и, следовательно, к занижению потенциальных целей восстановления.
Рекомендации
Чтобы противодействовать этим трудностям, Тёрнер и коллеги рекомендуют несколько изменений в том, как измеряется и сообщается прозрачность воды.
- Наиболее важно — чётко указывать использованный метод (глубина Секки, ослабление света или другой).
- Для исследований, связанных с подводными травами и другими светолюбивыми организмами, авторы советуют собирать значения ослабления света напрямую. Эти измерения наиболее релевантны для большинства исследований водных экосистем.
- Если стоимость или другие факторы побуждают использовать диски Секки, авторы советуют исследователям отказаться от универсального уравнения и вместо этого калибровать формулу пересчёта «глубина Секки — ослабление света» с использованием локальных измерений. Уравнение должно быть откалибровано локально, так как характеристики растворённых и взвешенных веществ в воде сильно различаются, иногда на очень коротких расстояниях, и могут меняться сезонно.
- Поскольку значения глубины Секки измеряют видимость и прозрачность, их прямое применение наиболее уместно для исследований рыб и других визуальных хищников, а также в контексте отдыха на воде и оценки прибрежной недвижимости.
- Независимо от методов, исследовательской группе следует выбирать наиболее полезную метрику в соответствии с конкретным научным вопросом или управленческой целью.
«Когда это уместно для цели, даже самые простые измерения прозрачности воды ценны для экологического мониторинга и восстановления, будь то сбор научными программами, некоммерческими организациями или гражданскими учёными».