9.8. 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 енергії 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 забезпечує енергією основні процеси в біосфері та існування життя на Землі. Кількість сонячної енергії вимірюється у ватах на квадратний метр (Вт/м²). Але вона може виражатись і в інших одиницях: 1 Вт/м² = 10 ^-3 кВт/м² = 0,00143 кал/см ² с = 698 Дж/м ^-2 с (секунда).

Найбільша кількість сонячної енергії надходить до Землі в екваторіальних і тропічних зонах, найменша — в арктичних та антарктичних. В широтах, що обмежують територію України (45—52° північної широти), кількість сонячної енергії, що припадає на одиницю земної поверхні, знаходиться у межах 450—700 кал/ см ² хв.

Світловий промінь, що падає на водну поверхню, відбивається і заломлюється, 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. У 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=I_oe^-ŋz

де I_z — освітленість на глибині z; I_o— інтенсивність освітлення на поверхні води; е — основа натуральних логарифмів; ŋ — константа для променів будь-якої довжини хвилі (коефіцієнт екстинкції окремий для кожного виду монохроматичних променів).

Сумарне послаблення світла внаслідок його поглинання та розсіяння виражають рівнянням:

I_z=I_oe^-(К+т)z

де I_z — освітленість на глибині z; I_o— освітленість поверхні води; е — основа натуральних логарифмів; (К+т)— сумарний коефіцієнт затухання світла.

Під прозорістю води F розуміють відношення потоку випромінювання, який пройшов через шар z ( I_z ), до потоку, що ввійшов у нього (I_o):

F=( I_z I_o)=e^-(К+т)z

Для вимірювання освітленості застосовуються спеціальні прилади — гідрофотометри. Деякі моделі гідрофотометрів дають змогу вимірювати лише загальну освітленість, а більш досконалі — також і монохроматичні компоненти сонячного спектру.

Вплив сонячної радіації на життя у біосфері виявляється через фотобіологічні процеси. Вони пов'язані з вузьким діапазоном спектру сонячної радіації — від 300 до 900 нм. 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. Цей спектр називається фотосинтетично активною радіацією (ФАР), Пряма сонячна радіація містить 28—43 % ФАР, а розсіяна — 50—60 %.

Серед різних фізичних факторів природного середовища найбільший вплив на фотобіологічні процеси має сонячна радіація. На діапазон хвиль від 300 до 1 100 нм припадає 75 % 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 досягає Землі, частково відбивається від її поверхні.

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

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

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

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

У 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. Як уже відзначалось, при проходженні через атмосферу до поверхні Землі досягає сонячна енергія, яка дорівнює 150 Вт/м². При проникненні у воду значна частина 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 % заростевого покриття) надходить 40 %, а з очеретом звичайним (90—95 % заростевого покриття) — тільки 25 % сонячної радіації. Ще менше надходить сонячної енергії в товщу води. Наприклад, на глибині 0,3 м у заростях лепешняку плаваючого із заростевим 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, називається фотичним, нижній шар, куди не надходить сонячна енергія, — афотичним. Зона проникнення світла, в якій інтенсивність фотосинтезу перевищує інтенсивність дихання рослин, має назву евфотичної зони. Її нижня межа, де фотосинтез урівноважує інтенсивність дихання, називається компенсаційним горизонтом.

У воді найінтенсивніше поглинаються довгі хвилі сонячної радіації, які енергетичне найбільш близькі до відповідних параметрів фотобіологічних процесів. Випромінювання, що проникає крізь товщу прісних і морських вод, зосереджене переважно в блакитній частині спектру і має 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. Якщо хвилі коротші від 300 нм, порушується молекулярна структура білків і нуклеїнових кислот, і відповідно — нормальне функціонування живих систем. Ось чому несуть загрозу біосфері скорочення і розриви озонового шару, який затримує проникнення на Землю саме таких квантів сонячного випромінювання.

При прозорості води 2 і 7, 5 м найінтенсивніше процес фотосинтезу протікає на глибинах відповідно до 1,5 і 6, 3 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. У 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 репродуктивного циклу рослин, 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 у бік більш освітленої частини водойми.