Світло та його роль у функціонуванні водних екосистем

Світло надходить до земної поверхні у вигляді прямої і розсіяної сонячної радіації, які разом оцінюються як сумарна радіація. На її видиму частину спектру припадає близько 45 %, на інфрачервоне випромінювання – 45 %, а на ультрафіолетове – 7 %. Сонячна радіація є джерелом всіх процесів у біосфері, пов’язаних з життям на нашій планеті, та визначає її температуру в поверхневих шарах.

Потік сонячної радіації на одиницю поверхні Землі називається сонячною постійною. Потужність цього потоку становить 340 Вт/м².

З урахуванням потоку сонячної радіації відбитого атмосферою і поверхнею Землі, потужність сонячної радіації, що досягає поверхні нашої планети, становить близько 150 Вт/м². Потік сонячної радіації формує основні процеси в біосфері і забезпечує існування життя. Величина сонячної енергії вимірюється у Вт/м². Але вона може виражатись в інших одиницях.

1 Вт/м² = 10^–3 кВт/м² = 0,00143 кал/см²×с = 698 Дж/м^–2×с (секунда).

Ця величина найбільша в екваторіальних і тропічних зонах Землі і найменша – в арктичних та антарктичних.

В широтах, що обмежують територію України (45–52°північної широти), кількість сонячної енергії, що припадає на одиницю земної поверхні, виражається величинами порядку 450–700 кал/см²×хв .

Світловий промінь, що падає на водну поверхню, відбивається і переломлюється, підлягає дифракції, поляризації і спектральному розщепленню. Крім того, він поглинається під час проходження через товщу води (абсорбція світла) і відбивається від завислих частинок, внаслідок чого на різні горизонти припадає різна кількість сонячної енергії, а це зумовлює зниження освітленості з глибиною. В першому наближенні (без врахування особливостей розподілу різних компонентів спектру, залежності освітленості від наявності розчинених і завислих речовин та інших додаткових факторів) інтенсивність поглинання монохроматич­ного променя, що входить у воду під прямим кутом (нормально до поверхні води) описується законом Ламберта–Бугера:

I_z = I₀e^–hz,

де І_z – освітленість на глибині z, І₀ – інтенсивність освітлення на поверхні води, е – основа натуральних логарифмів, h – константа для променів будь-якої довжини хвилі (коефіцієнт екстинкції – окремий для кожного виду монохроматичних променів).

Сумарне послаблення світла за рахунок його поглинання та розсіяння виражають рівнянням:

I_z = I₀e^–(K+m)z,

І_z – освітленість на глибині z, І₀ – освітленість поверхні води, е – основа натуральних логарифмів, (K+m)– сумарний коефіцієнт затухання світла.

Під прозорістю води (F) розуміють відношення потоку випромінювання, що пройшов через шар z (І_z), до потоку, що ввійшов у нього (І₀)

F = (І_z І₀₎ = e^–(k+m)z

Для виміру освітленості застосовуються спеціальні прилади – гідрофотометри. Деякі моделі гідрофотометрів дозволяють вимірювати лише загальну освітленість, а більш досконалі – також проникнення в воду різних компонентів сонячного спектру.

Вплив сонячної радіації на життя у біосфері виявляється через фотобіологічні процеси. Вони приурочені до вузького діапазону спектру сонячної радіації – від 300 до 900 нм. Так, наприклад, автотрофні водяні організми (водорості, вищі водяні рослини) використовують спектр сонячної радіації в діапазоні 380–710 нм. Саме така радіація найбільше впливає на фізіологічні процеси, пов’язані з фотосинтезом водяних рослин. Він називається фотосинтетично активною радіацією (ФАР). Пряма сонячна радіація містить 28–43 % ФАР, а розсіяна – 50–60 %.

Серед різних фізичних факторів природного середовища взаємодія сонячної радіації і фотобіологічних процесів найбільш адекватно пов’язані між собою Так, на діапазон хвиль від 300 до 1100 нм припадає три чверті (3/4) всієї сонячної радіації, яка надходить на Землю. І саме вони мають найбільше значення для фотохімічних реакцій.

Далеко не вся сонячна радіація надходить до земної (водної) поверхні. Більша частина короткохвильового діапазону сонячного світла (менше 290 нм) поглинається озоновим шаром. Довгохвильова частина сонячного випроміню­вання частково затримується в атмосфері водяною парою, вуглекислим газом і озоном. Та ж, яка доходить до Землі, теж частково відбивається від її поверхні.

Відношення кількості радіації, яка відбивається до тієї, яка падає на поверхню, визначається у відсотках і має назву альбедо. Для відкритої водної поверхні воно становить в середньому 7 %. Альбедо дещо збільшується при посиленні хвилювання на водоймі, а також при збільшенні каламутності води. Найбільше альбедо має чистий сніговий покрив (95–98 %), дещо менше (25–45 %) – лід. Альбедо є важливим екологічним показником, який дозволяє розраховувати кількість сонячної енергії, яка надходить в водне середовище.

Важливою з екологічної точки зору властивістю води є здатність пропускати сонячне світло. Вона залежить від кольору води та її прозорості. Остання залежить від молекулярної структури, концентрації розчинених органічних, переважно забарвлених (гумінові кислоти, фульвокислоти тощо) речовин, завислих часток та планктонних організмів. При гідроекологічних дослідженнях визначають відносну прозорість води за допомогою білого диску (диску Цеккі). Відносна прозорість оцінюється за товщиною шару води, через який можна бачити цей диск (діаметром 30 см) при зануренні його з тіньового боку плавзасобів. За допомогою такого методу можна оцінювати відносну прозорість води з точністю до 5%.

В лабораторних умовах для аналізу санітарно-гігієнічних характеристик води її прозорість визначають за висотою стовпа води в мірному циліндрі, через який можна бачити стандартний шрифт. Сучасні оптичні прилади (прозороміри) дозволяють реєструвати інтенсивність проникнення сонячної радіації на різні глибини за допомогою фотоелементів.

Прозорість води змінюється в залежності від сезону, кількості завислих часток, глибини водойм та багатьох інших причин. У нестратифікованих водоймах прозорість води знижується у придонному шарі внаслідок зростання каламутності, яка пов’язана з порушенням донних грунтів; у стратифікованих найбільша прозорість води у гіполімніоні, а наймен­ша – у зоні максимального розвитку фітопланктону. Знижується прозорість води в зоні термоклину за рахунок більш високої її щільності та затримки детриту.

В Дніпрі та його водосховищах найбільша прозорість води спостерігається взимку, а найменша – під час весняної повені. Так, у Київському водосховищі в зимовий період вона становить 1,5–2,1 м, а в Каховському – 2,4–3,7 м. Сонячна радіація проникає у воду лише на певну глибину. Основна її частина поглинається верхніми шарами води. Встановлено, що при проходженні через атмосферу до поверхні Землі досягає сонячна енергія, яка дорівнює 150 Вт/м². При проникненні у воду значна частина з цієї енергії поглинається уже у верхніх шарах води. Так, при прозорості 0,7 м і висоті Сонця 12° поглинається однометровим шаром води близько 92 % енергії, при прозорості 1,2 м і висоті Сонця 39° – до 76 %, а при прозорості 1,6 і висоті Сонця 58° – до 46 %.

Негативно впливають на проникнення сонячної радіації у товщу води зарості вищих водяних рослин. Так, у порівнянні з відкритими акваторіями на поверхню води з рогозом широколистим (50–60 % проективного покриття) надходить 40 %, а з очеретом звичайним (90–95 % проективного покриття) – тільки 25 % сонячної радіації. Ще менше надходить сонячної енергії в товщу води. Наприклад, на глибині 0,3 м у заростях лепешняку плаваючого з проективним покриттям 90 % надходить 15 %, а при покритті 60% – 80 % сонячної енергії. Поглинання у верхніх шарах води значної частини сонячної радіації різко обмежує поширення у товщі води фотосинтезуючих рослин. Вони можуть розвиватись на відносно невеликій глибині у континентальних водоймах, морях і океанах.

Верхній шар води, в якому є достатня кількість світла для синтезу рослинами органічної речовини з використанням сонячної енергії, визначається як фотичний, нижній шар, куди не надходить сонячна енергія, називається афотичним.Зона проникнення світла, у якій інтенсивність фотосинтезу перевищує інтенсивність дихання рослин, має назву евфотичної зони. Її нижня межа, де фотосинтез урівноважує інтенсивність дихання, називаєтьсякомпенсаційним горизонтом.

У воді найбільш інтенсивно поглинаються довші хвилі сонячної радіації, які енергетично найбільш співпадають з фотобіологічними процесами. Випромінювання, які проникають скрізь товщу прісних і морських вод, зосереджені переважно в блакитній частині спектру і мають довжину хвиль 475–480 нм. У процесі фотобіологічних реакцій енергія сонячної радіації поглинається дискретними частинками, які називаються фотонами, або квантами. Фотосинтез у бактерій протікає у спектральному діапазоні 400–900 нм, вищих зелених рослин – 400–700 нм, водоростей – 400–550 нм. При довжині хвиль коротших 300 нм порушується молекулярна структура білків і нуклеїнових кислот, і відповідно – нормальне функціонування живих систем. Ось чому несе загрозу біосфері скорочення і розриви озонового шару, який затримує проникнення на Землю саме таких часток сонячного випромінювання.

При прозорості води 7, 5 і 2 м найбільш інтенсивно процес фотосинтезу протікає на глибинах до 6, 3 і 1,5 м, де величина фотосинтетичної активної радіації не падає нижче 0,17–0,22 Дж/см², оскільки для максимальної інтенсивності фотосинтезу необхідно саме така величина сонячної радіації.

Сонячна радіація відіграє виключно важливу роль у функціонуванні водних екосистем. З нею пов’язана поведінка і розселення гідробіонтів у біотопах. Серед них є організми, які інтенсивно розвиваються у верхніх шарах води, куди надходить найбільше сонячної енергії. Це переважно автотрофні організми: водорості, фотосинтетичні бактерії, вищі водяні рослини. В процесі фотосинтезу вони запасають велику кількість енергії у вигляді первинно продукованої органічної речовини (первинної продукції), яку потім використовують організми інших трофічних рівнів.

Інші процеси, які протікають за участю сонячної енергії, не пов’язані безпосередньо з перетворенням сонячного світла в енергію хімічних сполук. Світло може виступати як інформативний фактор, що керує поведінкою водяних рослин і тварин. Наприклад, фотоперіодичні реакції рослин, які синхронізують етапи їх репродуктивного циклу, здійснюються за допомогою пігменту фітохрому.

У водяних тварин репродуктивні цикли теж пов’язані з фотоперіодичними реакціями, опосередкованими через пігментні системи. Такі реакції водяних організмів, як фототаксис та фототропізм, залежать від освітлення водойм.

Фототаксис – це рух організмів під впливом однобічного освітлення. У водоростей, найпростіших, деяких багатоклітинних організмів він виявляється в пересуванні у більш освітлені ділянки водойм. Найбільш активно викликають фототаксис ультрафіолетові, фіолетові та сині спектри сонячної радіації.

Фототропізм виявляється у зміні росту гідробіонтів у відповідь на однобічну дію світла. У водоймах можна спостерігати, як сидячі кишковопо­рожнинні вигинають своє тіло в сторону більш освітленої частини водойми.