Без кейворда

Сонячне світло видозмінюється під впливом низки факторів з моменту потрапляння в атмосферу Землі до організмів, що живуть під водою на рифах. Ще до того, як воно досягне поверхні океану, сонячне світло видозмінюється під впливом орієнтації Землі та атмосфери. Сама поверхня океану може впливати на проникнення сонячного світла, а різні фактори в самій воді, такі як глибина і каламутність, можуть впливати на інтенсивність і спектр світла.

Перш ніж обговорити ці впливи, я вважаю важливим зазначити, що хоча наш зір чутливий до різних інтенсивностей і спектрів світла, він не дуже добре оцінює інтенсивність або колір ізольовано. Наші очі пристосовуються до величезного діапазону інтенсивностей, на кілька порядків, але нам нелегко оцінити інтенсивність лише очима. Аналогічно, наш мозок інтерпретує зображення, які ми бачимо, і може адаптувати сприйняті кольори таким чином, що ми можемо не знати про зміну кольору. Наприклад, коли я заходжу в кімнату, освітлену лампами розжарювання, я рідко помічаю, що все має червоний або жовтий зсув через спектр, що випромінюється лампами. Тому впливи, про які йдеться в цій статті, можуть бути неочевидними для нашого ока. Наприклад, при пірнанні ослаблення світла з глибиною може бути непомітним, поки не буде досягнута глибина 15 або 20 м.

Небесні та атмосферні впливи на освітлення

Сонячна радіація, яка досягає зовнішніх шарів земної атмосфери, досить постійна. Варто зазначити, що орбіта Землі навколо Сонця така, що відстань між ними не завжди постійна. Найближче до Сонця (147,5 мільйона кілометрів) Земля знаходиться на початку січня, а найдальше (152,5 мільйона кілометрів) – на початку липня. Це матиме лише дуже незначний вплив (<5%) on light intensity.

Сонячне випромінювання складається з набагато більшого, ніж просто візуальне світло (~400-700 нм) і включає коротші (ультрафіолетові) і довші (інфрачервоні) хвилі.

Незважаючи на практично постійну кількість сонячної радіації, що потрапляє в атмосферу, її кількість, яка досягає поверхні океанів, значно змінюється залежно від пори року, широти і часу доби. Значною мірою це пов’язано з кутом, під яким світло від Сонця падає на Землю. Якщо Сонце перпендикулярно до поверхні океану, світло поширюється на відносно невелику площу. Зі зменшенням кута нахилу Сонця та сама кількість світла буде поширюватися на все більшу площу, зменшуючи інтенсивність в будь-якій точці. На малюнку 1 показано цю залежність.

Малюнок 1: “Промінь” сонячного світла, який падає на Землю перпендикулярно до поверхні океану, поширюється на меншу площу, ніж “промінь”, що падає на океан під більш гострим кутом по відношенню до ідеального горизонту.

Коли світло проходить через атмосферу, воно розсіюється і поглинається, і ці процеси зменшують кількість світла, що досягає поверхні океану. Розсіювання відбувається в основному за рахунок молекул повітря і аерозолів, а поглинання в основному за рахунок озону, водяної пари, кисню і вуглекислого газу (Alados-Arboledas et al. 2000). Розсіювання і поглинання діють по-різному на різних довжинах хвиль, тому на якість або колір світла це також впливає. Чим більша відстань атмосфери, через яку проходить світло, тим більший ефект; і навпаки, чим менша відстань, тим більший коефіцієнт пропускання. Коли сонячне світло проходить через атмосферу під кутом, перпендикулярним до поверхні океану, воно пройде через меншу кількість атмосфери, ніж коли воно проходить через атмосферу під кутом, як показано на малюнку 2.

Малюнок 2: “Промінь” сонячного світла, який перпендикулярний до Землі, проходить через меншу кількість атмосфери, ніж “промінь” під більш гострим кутом по відношенню до ідеального горизонту. Синя лінія показує глибину атмосфери, через яку має пройти світло.

Сукупний ефект поширення, розсіювання і поглинання є зміною освітленості з висотою Сонця. Приклад зміни освітленості з висотою сонця показаний на рисунку 3.

Рисунок 3: Зміна прямої освітленості з висотою сонця для ясного неба (Robledo and Soler, 2000).

Не всі довжини хвиль сонячної радіації проникають в атмосферу Землі в однаковій мірі. Короткохвильове ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі нижче 290 нм (UV-C) не проникає через озоновий шар у зовнішній атмосфері (Odum, 1971). Потоншення озонового шару може призвести до більшого пропускання УФ-С, що є смертельним для організмів. Інфрачервоне випромінювання (700-10 000 нм) нерівномірно послаблюється через поглинання атмосферою (Одум, 1971).

Пори року, широта і час доби впливають на кут між поверхнею океану і Сонцем. Між сходом і заходом сонця кут на Сонце збільшується від нуля градусів на сході до найвищої точки близько полудня, а потім зменшується до нуля градусів на заході. На рисунках 4 і 5 показані погодинні висоти Сонця для двох тропічних місцевостей у три різні пори року.

Рисунок 4: Висота Сонця протягом трьох днів для місця на екваторі (дані Geoscience Australia: National Mapping Division).

Рис. 5: Висота Сонця протягом трьох днів для острова Герона, Великий Бар’єрний риф (23º26′ південної широти) (Дані Geoscience Australia: National Mapping Division).

Найвища точка Сонця в будь-який день визначається поєднанням широти та пори року. Земна вісь нахилена на 23º30′ по відношенню до Сонця, і це означає, що північна півкуля нахилена до Сонця наприкінці червня і нахилена від Сонця наприкінці грудня. В “істинний полудень “* на тропіку Рака (23º30’пн.ш.) в день літнього сонцестояння (21/21 червня) Сонце знаходиться під кутом 90º до поверхні океану. Такий самий стан опівдні спостерігається на тропіку Козерога (23º30’пд.ш.) 21/22 грудня, на екваторі (0º) в обидва рівнодення (21/22 березня і 22/23 вересня) та на інших широтах у тропіках два дні на рік – до і після літнього сонцестояння. За межами тропіків Сонце ніколи не знаходиться на висоті 90º. На рисунку 6 показані максимальні висоти для трьох тропічних місцевостей протягом року.

* Під “справжнім полуднем” я маю на увазі час доби, коли Сонце досягає своєї найвищої точки (зеніту); це може збігатися або не збігатися з полуднем за місцевим часом.

Рисунок 6: Річний цикл максимальної висоти Сонця для трьох місць: Острів Чаплі, Британська Колумбія (23º26′ південної широти); Острів Ящірки, Британська Колумбія (14º40′ південної широти) та місце на екваторі (Дані Geoscience Australia: National Mapping Division).

Хоча висота Сонця визначає максимально можливу інтенсивність, атмосферні умови, такі як хмарність і серпанок, можуть безпосередньо зменшити кількість світла, що потрапляє на поверхню океану. Хмарний покрив і загалом вологі умови є досить поширеним явищем у тропічних районах рифових систем, а тропічні шторми є звичайним явищем протягом літніх місяців. Хмари впливають як на кількість, так і на якість світла, що досягає поверхні океану, відбиваючи, поглинаючи і пропускаючи сонячну радіацію, що надходить. Втрата інтенсивності буде варіюватися в залежності від товщини і типу хмарного покриву, і цей ефект важко оцінити кількісно. Хмарний покрив майже однаково послаблює коротші довжини хвиль (ультрафіолетові, фіолетові, сині та зелені), але спричиняє більше послаблення довших хвиль (жовті, оранжеві, червоні та інфрачервоні) (Odum, 1971).

На рисунку 7 показані показники освітленості протягом одного дня на острові Одного Дерева, Великий Бар’єрний риф. Крива освітленості не є гладкою через вплив атмосферних умов, таких як хмарність та серпанок. Криву освітленості можна порівняти з висотою сонця за той же день. Відмінності в кривих значною мірою пояснюються атмосферними умовами.

Рис. 7: Освітленість і висота Сонця для 2 вересня 1998 року на острові Одного Дерева, Великий Бар’єрний риф (23°30’ю.ш., 152°06’сх.д.) (А. Саліх, неопубліковані дані).

Широта і пора року також впливають на тривалість дня, тобто на кількість годин між сходом і заходом сонця. Найдовші дні припадають на ту пору року, коли сонце досягає найбільшої максимальної висоти. Цікаво, що місця на екваторі мають майже постійну тривалість дня – трохи більше 12 годин. На рисунку 8 показано річний цикл тривалості дня в трьох тропічних регіонах.

Рисунок 8: Річний цикл тривалості дня з трьох місць: Острів Чаплі, Британська Колумбія (23º26′ південної широти); Острів Ящірки, Британська Колумбія (14º40′ південної широти) та місцевість на екваторі (Дані Geoscience Australia: National Mapping Division).

Довгостроковий вплив погодинних і сезонних коливань освітленості, тривалості дня та атмосферних умов призводить до річного циклу кількості світла, що досягає поверхні океану. Різниця в середньому і загальному освітленні, що падає на поверхню океану в різні періоди року, може бути значною. На рисунку 9 показано зміну середньомісячної освітленості за 6 років.

Рисунок 9: Щомісячні значення фотосинтетично доступної радіації (ФАР) на поверхні (поверхнева ФАР) та під водою (підводна ФАР) поблизу Ко Пхукета, Таїланд (7°53’N, 98°24’E) (Dunne and Brown, 2001).

Вплив повітряно-водної межі розділу фаз

Коли світло падає на водну поверхню, частина світла проникає, а частина відбивається. Кількість світла, що відбивається, є більшою, коли кут між світловими променями і поверхнею води є невеликим. Коли світло надходить від точкового джерела, такого як Сонце, відсоток відбиття може бути визначений за допомогою закону Френеля (Weinberg, 1976). На рисунку 10 показано теоретичне відбиття сонячного світла в залежності від висоти Сонця. Однак закон Френеля передбачає оптично рівну водну поверхню, що є рідкістю для поверхні океану, і тому фактичне відбиття може бути більшим. На рисунку 10 також показані виміряні значення відбиття як для гладкої, так і для шорсткої водної поверхні.

Рисунок 10: Відбиття сонячного світла по відношенню до сонячної радіації. Теоретичний та виміряний відсоток сонячного світла, відбитого від абсолютно гладкої водної поверхні по відношенню до висоти Сонця (на основі розрахунків Вайнберга, 1976; Гриченко у Вайнберга, 1976).

Коли небесні та атмосферні ефекти розглядаються з урахуванням відбиття, висота Сонця має значний вплив на кількість світла, що проникає на поверхню океану. Хоча схід сонця принесе певну кількість світла підводним організмам, кількість світла, що досягає організмів, не буде значною до тих пір, поки висота сонця не буде щонайменше 10º або навіть вище.

Вплив глибини

Світло, що проникає на поверхню води, поглинається і розсіюється молекулами води, а також зваженими і розчиненими частинками. Навіть дуже прозора вода послаблює світло зі значною швидкістю. Навіть у дуже прозорій воді менше однієї десятої світла, що проникає на поверхню води, залишається на глибині 30 м (Dustan, 1982), а в менш прозорій воді 90% ослаблення може відбуватися на менших глибинах, наприклад, 15 м на прибережному рифі (Fabricius and Alderslade, 2001). На рисунку 11 показано виміряну інтенсивність випромінювання на різних глибинах. Зауважте, що шкала освітленості є логарифмічною. Рисунок 12 показує ослаблення випромінювання у відсотках для різних глибин на різних рифах. Крім того, різні довжини хвиль світла послаблюються з різною швидкістю. У прозорих водах синє світло від 440 до 490 нм послаблюється найменше, тоді як помаранчеве і червоне світло (від 590 до 700 нм) послаблюється найбільше. У прибережних водах поглинається більше синього світла через більшу кількість зважених речовин і фітопланктону у воді, а зелене світло проникає найдалі. На рисунку 13 наведені приклади випромінювання різних довжин хвиль на різних глибинах.

Рисунок 11: Залежність освітленості від глибини для “середнього сонячного дня” на рифі Танцююча Леді, Ямайка, між лютим і квітнем 1978 року (Dustan, 1982).

Рисунок 12: Світловий профіль, виміряний на 17 рифах внутрішнього, середнього і зовнішнього шельфу центрального Великого Бар’єрного рифу (Fabricius and Alderslade, 2001).

Рисунок 13: Спектральна освітленість в залежності від глибини для “середнього сонячного дня” на рифі Танцююча Леді, Ямайка, між лютим і квітнем 1978 року (Dustan, 1982). * 40, 52 і 60 м – розрахункові значення.

Інфрачервоне випромінювання швидко поглинається і не проникає у воду в будь-якій помітній мірі (Falkowski et al. 1990). УФ-В (290-320 нм) послаблюється досить швидко, але УФ-А (320-400 нм) може проникати на глибини понад 100 м, причому темпи послаблення подібні до світла в діапазоні 425-560 нм (Schlichter et al. 1986).

Інші фактори, що впливають на кількість та якість світла

Ряд інших факторів може впливати на кількість і якість світла, що досягає рифових організмів. Каламутна вода може значно збільшити як поглинання, так і розсіювання, що, як правило, призводить до зменшення кількості світла, що пропускається. Каламутність може виникати внаслідок несприятливих погодних умов, які перемішують відкладення або прибережні стоки. Крім того, каламутна вода по-різному впливає на довжини хвиль світла, які поглинаються і розсіюються, змінюючи спектри доступного світла на різних глибинах, при цьому поглинається більше синього світла, як згадувалося раніше. Цвітіння планктону також може впливати на пропускання світла.

Сидячі організми можуть бути прикріплені до субстратів під різними кутами. Горизонтально орієнтовані поверхні отримують більше світла, ніж поверхні під кутом, а вертикальні поверхні можуть отримувати лише 25% світла, доступного горизонтальній поверхні (Falkowski et al. 1990). Орієнтація організму змінює кількість отриманого світла, оскільки більша частина підводного світла є спрямованою, а проникнення переважно вертикальне. Спрямованість світла збільшується з глибиною. Коли світло потрапляє на кутову або вертикальну поверхню, та ж кількість світла (яка потрапила б на горизонтальну поверхню) поширюється на більшу площу, зменшуючи інтенсивність.

Сидячі організми можуть перебувати в затіненні, що зменшує кількість світла, яке вони отримують. Затінення може походити від інших сидячих організмів, що ростуть над ними, або від фіксованих печер чи полиць у підводному рельєфі. На мілководді, де напрямок світла може більше залежати від висоти сонця, ступінь затінення сидячих організмів може змінюватися протягом дня або року.

На мілководді рух поверхневих вод, наприклад, хвилі, може діяти як лінза, фокусуючи сонячне світло і призводячи до спалахів світла, інтенсивність яких більш ніж удвічі перевищує інтенсивність світла, що проходить через гладку поверхню (Falkowski et al., 1990).

Я показав велику кількість впливів на інтенсивність та спектри світла, що досягає підводних організмів. Хоча немає необхідності розбиратися в природі всіх цих впливів, корисно усвідомити, наскільки мінливим може бути режим підводного освітлення. Місцезнаходження (як широта, так і глибина) організму визначатиме максимальну інтенсивність світла, яку він може отримати; однак, в будь-який конкретний час доби або з дня на день, з місяця в місяць, як інтенсивність, так і спектр світла, яке отримує організм, сильно варіюється.

Знання широти і глибини, з якої був зібраний світлолюбний організм, значно полегшило б отримання інформації про вимоги до освітлення для цього організму. Хоча ця інформація, як правило, недоступна для зібраних організмів, які ми зберігаємо, вона надасть лише частину картини, а оскільки більшість фотосинтезуючих організмів є фотоадаптивними (тема майбутньої статті), точні значення інтенсивності світла не потрібні.

Аладос-Арболедас Л., Олмо Ф., Аладос І. та Перес М. 2000. Параметричні моделі для оцінки фотосинтетично активної радіації в Іспанії. Сільськогосподарська та лісова метеорологія 101:187-201.

Данн Р.П. та Браун Б.Є. 2001. Вплив сонячної радіації на знебарвлення мілководних рифових коралів в Андаманському морі, 1993-1998. Coral Reefs 20:201-210.

Dunstan P. 1982. Глибинно-залежна фотоадаптація зооксантел рифового корала Montastrea annularis. Mar. Biol. 68:253-264.

Fabricius K. And Alderslade P. 2001. М’які корали та морські фанати: всебічний довідник по тропічним мілководним родам центрально-західної частини Тихого океану, Індійського океану та Червоного моря. Австралійський інститут морських наук, Таунсвілл, Австралія. 264 с.

Фальковський П.Г., Джокіл П.Л. та Кінзі ІІІ Р.А. 1990. Освітленість і корали. Укл: З. Дубинський (редактор), Коралові рифи: Екосистеми світу, т. 25 Elsevier Scientific Publishing Co. Нью-Йорк, с. 89-108.

Одум, Є. П. 1971. Основи екології. W B Saunders Company, Philadelphia, PA. 574pp.

Робледо Л. і Солер А. 2000. Оцінка прямої освітленості на горизонтальній поверхні для ясного та проміжного неба. Відновлювана енергетика 19:55-60.

Шліхтер Д., Фріке Х.В. і Вебер В. 1986. Збір світла шляхом трансформації довжини хвилі в симбіотичному коралі сутінкової зони Червоного моря. Mar. Biol. 91:403-407

Вайнберг С. 1976. Денне світло підводного човна та екологія. Mar. Біол. журн. 37:291-304.

Source: reefkeeping.com