CC BY
12
УДК 535.8+556.5 О.Б. Акулова, В.И. Букатый, К.П. Попов
O.B. Akulova, V.I. Bukatiy, K.P. Popov
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА ЖЁЛТЫМ ВЕЩЕСТВОМ НА РАЗНЫХ ГЛУБИНАХ ОЗЕРА КРАСИЛОВСКОЕ
CHANGES IN LIGHT ABSORPTION BY YELLOW SUBSTANCE AT DIFFERENT DEPTHS
OF THE KRASILOVSKOYE LAKE
\
Ключевые слова: озеро Красиловское, спектральная прозрачность воды, показатели ослабления и поглощения света, растворённое органическое вещество, жёлтое вещество, хлорофилл, взвесь, корреляция, коэффициент детерминации.
Приводятся результаты экспериментальных данных по изменению показателя поглощения света жёлтым веществом на разных глубинах озера Красиловское (Алтайский край), полученных летом 2016 г. в ходе экспедиционных исследований гидрооптических характеристик. Рассчитан относительный спектральный вклад компонентов озёрной воды (жёлтого вещества, взвеси, хлорофилла, чистой воды) в показатель ослабления света по вертикали исследуемого водоёма. Значения показателя поглощения света жёлтым веществом при натуральном основании логарифма за исследуемый период находились в диапазоне 0,8-7,4 м-1. Концентрация жёлтого вещества эвтрофно-гиперэвтрофного оз. Красиловское, рассчитанная по измеренному коэффициенту пропускания жёлтым веществом, варьировала в пределах 17,92-26,17 г/м3. На всех глубинах исследуемого водоёма основной вклад в показатель ослабления света вносят жёлтое вещество (ЖВ) и взвесь. Наибольший вклад ЖВ приходится на глубину 5 м, где он составляет 80,0%. На длине волны 550 нм вклад жёлтого вещества варьировал в пределах от 22,0% (2 м) до 86,8% (4 м), при Л=670 нм - от 16,9% (з м) до 68,7% (5 м). Взвесь даёт максимальный вклад в показатель ослабления при Л=430 нм на глубине 1 м и составляет 27,6%. Вклад взвеси возрастает до 68,8% (3 м) при Л=550 нм. На длине волны 670 нм вклад взвеси находился в диапазоне от 7,0% (5 м) до 32,2% (6 м). Чистая вода вносит несущественный вклад в ослабление света при Л=430 нм на всех глубинах и составляет не более 0,1%, но резко увеличивается в длинноволновой области: до 1,4% (4 м) при Л=550 нм и до 11,4%
(2 м) при Л=670 нм. Вклад хлорофилла при À=430 нм существенен только для глубины 3 м (61,3%). Молекулярное рассеяние света чистой водой в исследуемом спектральном интервале не вносит ощутимый вклад и составляет 0,1%.
Keywords: Krasilovskoye Lake, water spectral transparency, coefficients of light attenuation and absorption, dissolved organic matter, yellow substance, chlorophyll, suspended matter, correlation, determination coefficient.
The paper presents experimental data on the variation of light absorption by yellow substance at different depths of the Krasilovskoye Lake (Altai Region) obtained in the summer of 2016 during in situ studies of hydro-optical characteristics. Relative spectral contribution of lake water components (yellow substance, suspended matter, chlorophyll, pure water) to light attenuation was calculated. The coefficients of light absorption by yellow substance in the natural logarithmic base for the study period were within 0.8-7.4 m"\ The concentration of yellow substance from eutrophic-hypereutrophic Krasilovskoye Lake calculated according to measured spectral water transparency varied within 17.92-26.17 g m3. Yellow substance (YS) and suspension made the greatest contribution to light attenuation at all depths of the reservoir under study; for instance, the greatest contribution of YS was found at a depth of 5 m (80.0%). At a wavelength of 550 nm the contribution of yellow substance ranged from 22.0% (2 m) to 86.8% (4 m), and at À = 670 nm - from 16.9% (3 m) to 68.7% (5 m). The maximum contribution of suspension to light attenuation was observed at À = 430 nm at a depth of 1 m (27.6%). The contribution of suspension increases to 68.8% (3 m) at À = 550 nm. At the wavelength of 670 nm the contribution of suspended matter was in the range from 7.0% (5 m) to 32.2% (6 m). The contribution of pure water to light attenuation is negligible at À = 430 nm at all depths (within 0.1%), but it
increases sharply in the long-wave region: up to 1.4% (4 m) at À = 550 nm and to 11.4% (2 m) at À = 670 nm. The contribution of chlorophyll at À = 430 nm is significant only for a 3 m depth
(61.3%). Molecular light scattering by pure water in the studied spectral interval contributes insignificantly (0.1%).
Акулова Ольга Борисовна, к.т.н., н.с., лаб. гидрологии и геоинформатики, Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул. Тел.: (3852) 666-501. E-mail: [email protected]. Букатый Владимир Иванович, д.ф.-м.н., проф., гл. н.с., лаб. гидрологии и геоинформатики, Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул. Тел.: (3852) 666-502. E-mail: [email protected].
Попов Кирилл Павлович, аспирант, лаб. гидрологии и геоинформатики, Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул. Тел.: (3852) 666-502. E-mail: [email protected].
Akulova Olga Borisovna, Cand. Tech. Sci., Staff Scientist, Hydrology and Geoinformatics Lab., Institute for Water and Environmental Problems, Sib. Branch of Rus. Acad. of Sci., Barnaul. Ph.: (3852) 666-501. E-mail: [email protected].
Bukatiy Vladimir Ivanovich, Dr. Phys.-Math. Sci., Prof., Chief Staff Scientist, Hydrology and Geoinformatics Lab., Institute for Water and Environmental Problems, Sib. Branch of Rus. Acad. of Sci., Barnaul. Ph.: (3852) 666-502. E-mail: [email protected]. Popov Kirill Pavlovich, post-graduate student, Hydrology and Geoinformatics Lab., Institute for Water and Environmental Problems, Sib. Branch of Rus. Acad. of Sci., Barnaul. Ph.: (3852) 666-502. E-mail: [email protected].
Введение
Состав растворённого органического вещества (РОВ) в природной воде сложен и насчитывает множество различных классов органических соединений. Большинство из них в видимой области спектра слабо поглощают свет. Исключение составляет часть РОВ, представленная преимущественно гумусовыми кислотами, которые сильно поглощают свет в коротковолновой области видимого спектра и в ультрафиолете. Вследствие поглощения синих лучей эта часть растворенной органики имеет желтоватую окраску, что и обусловило её название — жёлтое вещество (ЖВ) [1, 2]. Известно, что жёлтое вещество является определяющим компонентом, влияющим на процессы биологического самоочищения и формирования качества вод, т.е. на экологическое состояние водоёмов. В связи с этим определение содержания ЖВ в водных объектах с помощью различных методов, в том числе и оптических, в настоящее время является актуальной задачей.
В наших работах приводятся экспериментальные данные по спектральному вкладу ЖВ в суммарный показатель ослабления света только в поверхностном слое разнотипных озёр Алтайского края [3, 4].
Целью работы является оценка изменения показателя поглощения света жёлтым веществом и его концентрации, а также спектрального вклада компонентов воды в суммарный показатель ослабления света на
разных глубинах оз. Красиловское летом 2016 г.
Характер поглощения света жёлтым веществом обусловлен электронными переходами в молекулах органических соединений [5]. Спектральная зависимость показателя поглощения света жёлтым веществом Кжв(Л) описывается экспоненциальным законом [6]:
е ,
где Л — длина волны света;
у — коэффициент, характеризующий наклон спектральной кривой поглощения, значение которого не является постоянным для различных водоёмов.
Материалы и методы исследования
Летом 2016 г. в ходе экспедиционных работ был проведён отбор проб воды на разных глубинах оз. Красиловское. Точка отбора (координаты: 53.18771 N 84.35447 Е) проб указана на рисунке 1 (в основе батиметрическая карта, выполненная ведущим инженером лаборатории гидрологии и геоинформатики ИВЭП СО РАН А.А. Коломейцевым). Обработано и проанализировано 7 проб, проведено 168 измерений спектральной прозрачности воды на спектрофотометре до и после фильтрации проб.
Лимнологические характеристики исследуемого водоёма представлены в таблице 1.
Рис. 1. Карта-схема оз. Красиловское с указанием точки отбора проб и шкалы глубин
Таблица 1
Лимнологические характеристики оз. Красиловское
S, км2 Нмакс, м Нср, м ^макс. см ЦЛ)*, м-1 Кжв(Л)*, м-1 рН ОЫ "а", мг/м3
0,80 6,0 2,7 150 2,7-12,0 0,8-8,2 6,6-7,8 24,8-87,6
Примечание. S — площадь зеркальной поверхности; Нмакс — максимальная глубина; Нср — средняя глубина; SDмакс — максимальная прозрачность по диску Секки; Ь(Л) и Кжв(Л) — диапазон значений показателя ослабления света и показателя поглощения света жёлтым веществом при натуральном основании логарифма соответственно; рН — водородный показатель; Chl "а" — концентрация хлорофилла "а"
Измерения коэффициента пропускания (спектральной прозрачности) воды в области спектра 400-800 нм проводились сразу же после отбора проб в стационарных условиях на спектрофотометре типа ПЭ-5400УФ с погрешностью, равной 0,5%. Спектральный показатель ослабления света е(А) рассчитывался по формуле: е(Л) = (1/L) • 1п(1/Т)
где L - длина кюветы;
Т 1 /10 - коэффициент пропускания в относительных единицах;
I, 10 — интенсивности прошедшего и падающего света соответственно;
А — длина волны света.
Максимальная абсолютная погрешность величины е(А) составила не более 0,5 м-1.
Показатель поглощения света жёлтым веществом Кжв(А) определялся после измерения спектральной прозрачности озёрной воды, очищенной от взвеси фильтрованием с использованием мембранных фильтров «Владипор» типа МФАС-ОС-1 с диаметром пор 0,22 мкм.
Относительный спектральный вклад компонентов озёрной воды в е(А) на разных глубинах оз. Красиловское рассчитывался с
использованием спектральной физической модели ослабления света, предложенной О.В. Копелевичем в работе [6]:
= Кхл V) + Кжв + °МОЛ + V) + Кчв V) ,
где Кхл(А) и Кжв(А) — показатели поглощения хлорофиллом и жёлтым веществом;
Омол(А) — показатель молекулярного рассеяния чистой водой;
Овз(А) - показатель рассеяния органо-минеральной взвесью;
Кчв(А) - показатель поглощения чистой водой.
Показатель поглощения хлорофиллом рассчитывался по формуле:
К (Я) = Куд.хл (Я) • Схл ,
где Схл — концентрация хлорофилла "а", мг/м3;
Куд хл(А) — удельный показатель поглощения хлорофиллом, м2/мг, его значения приведены в работе [6]. Для расчётов Кчв(А) используются табличные данные [7, 8], а для Омол(А) — взяты из работы [6].
Спектральный показатель рассеяния взвесью Овз(А) определялся по формуле:
(V) = е(Х) - [к„ (V) + к„ (V) + (V) + кчв (V)] .
Результаты и их обсуждение
На рисунке 2 в логарифмическом масштабе приведены результаты измерений КЖВ(А) (в обратных метрах) в исследуемом
, Ом
Ы I)
озере, а также соответствующие аппрок-симационные зависимости от длины волны в виде линейных уравнений.
InKxeâ) 6 M
Рис. 2. Спектральная изменчивость логарифма показателя поглощения света жёлтым веществом кжв(Л) на разных глубинах оз. Красиловское
Из рисунка 2 видно, что имеет место удовлетворительная корреляция между значениями 1п Кжв(А) и длиной волны А, так как во всех случаях коэффициент детерминации R2 > 0,76. Коэффициент экспоненциального наклона у варьировал в пределах 0,001-0,004 нм-1. По данным разных исследований [9-12] для океанов и морей значе-
ние коэффициента у варьирует от 0,014 до 0,019 нм-1, увеличиваясь с глубиной. При этом отмечен отход экспериментальной зависимости у(А) от экспоненты в длинноволновой области спектра, который авторы объясняют рассеянием и поглощением света частицами взвеси, остающимися в пробе после фильтрации.
Таблица 2
Значения показателя поглощения света жёлтым веществом кжв(Л) и концентрации жёлтого вещества Сжв на разных глубинах оз. Красиловское в июле 2016 г.
Глубина, м Кжв(450), м-1 Коэффициент нм-1 Сж^ г/м3
0 4,1 0,002 19,4
1 3,8 0,003 18,0
2 4,6 0,001 21,7
3 3,2 0,004 15,2
4 5,4 0,002 25,6
5 5,5 0,002 26,2
6 4,5 0,004 21,2
Таблица 3
Относительный спектральный вклад (%) компонентов озёрной воды в показатель ослабления света на разных глубинах оз. Красиловское (18.07.2016 г.)
Длина волны света Л, нм Показатели поглощения Показатели рассеяния Показатель ослабления света £(Л), м-1
К (Л) Кже (Л) К (Л) a (Л) + a (Л) ез V / мол V /
е(Л) е(Л) а(Л) е(Л)
0 м (при Схл= 26,2 мг/м3)
430 0,1 51,1 23,3 25,5 9,0
550 0,9 45,0 2,8 51,3 6,0
670 8,3 48,0 20,1 23,6 5,2
1 м (при Схл= 24,8 мг/м3)
430 0,1 49,4 22,8 27,7 8,7
550 0,1 43,6 2,9 53,4 5,5
670 0,9 39,5 20,6 30,9 4,8
2 м (при Схл= =28,6 мг/м3)
430 0,1 56,2 31,3 12,4 7,3
550 1,2 67,1 4,0 27,7 4,7
670 11,4 40,0 30,1 18,5 3,8
3 м (при Схл= =87,6 мг/м3)
430 0,1 32,4 61,3 6,2 11,4
550 0,8 22,0 8,3 68,9 6,8
670 6,7 16,9 53,3 23,1 6,5
4 м (при Схл= =41,7 мг/м3)
430 0,1 26,7 45,7 27,5 7,3
550 1,4 86,8 6,7 5,1 4,0
670 13,5 68,7 5,2 12,6 3,2
5 м (при Схл= =25,5 мг/м3)
430 0,1 80,0 14,8 5,1 8,0
550 1,1 68,7 3,4 26,8 4,8
670 10,1 67,4 15,4 7,1 4,3
6 м (при Схл= 33,0 мг/м3)
430 0,1 56,3 28,0 15,6 9,4
550 1,0 40,0 4,0 55,0 5,5
670 9,0 31,2 27,5 32,3 4,8
Согласно закону Бугера в пределах его применимости показатель поглощения света жёлтым веществом прямо пропорционален его концентрации. Тогда, следуя работе [2], измерив Кжв(450), можно определить концентрацию ЖВ в озёрной воде по формуле:
Сжв =к жв (450)/ к уджв (450), где Сжв — концентрация жёлтого вещества,
г/м3;
Куд жв(450) — удельный показатель поглощения света ЖВ при А=450 нм, м2/г.
В работе [13] рассчитаны значения Куджв(А) на длине волны 450 нм, другие данные нам не известны. Поэтому насколько величина Куд.жв(450), приводимая в [13], является универсальной, до сих пор считается не ясным. Тем не менее с учётом предложенного в [2] подхода нами были рассчитаны значения Сжв с использованием величины Куд жв(450), взятой из работы [13].
В таблице 2 представлены результаты измерений Кжв(А) в пробах воды, отобранных по вертикали оз. Красиловское и расчётов Сжв.
Концентрация жёлтого вещества Сжв эв-трофно-гиперэвтрофного оз. Красиловское находилась в диапазоне 17,92-26,17 г/м3. Для сравнения приведём данные значений Сжв в олиготрофном оз. Телецкое (июль 2016 г.), которые варьировали в пределах 5,50-13,68 г/м3.
В таблице 3 приведены результаты расчётов спектрального вклада компонентов озёрной воды (жёлтого вещества, взвеси, хлорофилла, чистой воды) в спектральный показатель ослабления света е(А) в процентах. Здесь значения Кжв(А) и е(А) указаны при натуральном основании логарифма.
Выводы
1. Определён показатель поглощения света жёлтым веществом в озёрной воде по измерениям коэффициента пропускания воды в диапазоне 400-800 нм в пробах воды, отфильтрованной через фильтр с диаметром пор 0,22 мкм.
2. Рассчитаны концентрации жёлтого вещества Сжв, коэффициенты спектральной изменчивости показателя поглощения жёлтым веществом у на разных глубинах оз. Красиловское.
3. Определены спектральные вклады компонентов озёрной воды в показатель ослабления света по вертикали исследуемого водоёма.
Библиографический список
1. Маньковский В.И. Основы оптики океана: методическое пособие. — Севастополь: Изд-во МГИНАНУ, 1996. — 119 с.
2. Маньковский В.И. Жёлтое вещество в поверхностных водах восточной части Тропической Атлантики / / Морской гидрофизический журнал. — 2015. — № 3. — С. 53-61.
3. Суторихин И.А., Букатый В.И., Акулова О.Б. Спектральный вклад компонентов озёрной воды в показатель ослабления света в разнотипных водоёмах юга Западной Сибири // Известия АлтГУ. — 2015. — № 1/1 (85). — С. 59-63.
4. Климатические условия и гидрооптические характеристики пресноводных озёр Алтайского края: монография / И.А. Су-торихин, В.И. Букатый, Н.Ф. Харламова, О.Б. Акулова; отв. ред. В.Н. Седалищев; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т вод. и экол. проблем; М-во образования и науки РФ, Алт. гос. ун-т. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2016. — 162 с.
5. Шифрин К.С. Введение в оптику океана. — Л.: Гидрометеоиздат, 1983. — 278 с.
6. Оптика океана / под ред. А.С. Мо-нина. — Т. 1. Физическая оптика океана. — М.: Наука, 1983. — 372 с.
7. Pope R.M., Fry E.S. Absorption spectrum (380-700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements // Applied Optics.
— 1997. - Vol. 36 (330. — P. 8710-8723.
8. Левин И.М. Малопараметрические модели первичных оптических характеристик морской воды // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. — 2014. — № 3. — Т. 7. — С. 3-22.
9. Копелевич О.В., Шифрин К.С. Современные представления об оптических свойствах морской воды // Оптика океана и атмосферы. — М.: Наука, 1981. — С. 4-55.
10. Пелевина M.A. Методика и результаты измерений спектрального поглощения света растворённым органическим «жёлтым» веществом в водах Балтийского моря // Световые поля в океане. — М.: ИО АН СССР, 1979. — С. 92-97.
11. Atkins W.R.G., Poole H.H. An experimental study of the scattering of light by natural waters // Proc. Roy. Soc. London B., 1952. - Vol. 140. - P. 321-338.
12. Hojerslev N.K. On the origin of yellow substance in marine environment // Rap. Inst. Fysiks Oceanogr. — Copenhagen, 1980.
— No. 42. — P. 57-81.
13. Nyquist G. Investigation of some optical properties of sea water with special refer-
ence to lignin sulfonates and humic substances // PhD Thesis, Goteborgs Universitet, Goteborg, Sweden, 1979. - 200 pp.
References
1. Mankovskiy V.I. Osnovy optiki okeana: metodicheskoe posobie. — Sevastopol: Izd-vo MGINANU, 1996. — 119 s.
2. Mankovskiy V.I. Zheltoe veshchestvo v poverkhnostnykh vodakh vostochnoy chasti Tropicheskoy Atlantiki // Morskoy gidrofizi-cheskiy zhurnal. — 2015. - № 3. - S. 53-61.
3. Sutorikhin I.A., Bukatyy V.I., Akulo-va O.B. Spektralnyy vklad komponentov ozernoy vody v pokazatel oslableniya sveta v raznotipnykh vodoemakh yuga Zapadnoy Sibi-ri // Izvestiya AltGU. — 2015. - № 1/1 (85). — S. 59-63.
4. Klimaticheskie usloviya i gidroopticheskie kharakteristiki presnovodnykh ozer Altayskogo kraya: monografiya / I.A. Sutor-ikhin, V.I. Bukatyy, N.F. Kharlamova, O.B. Akulova; otv. red. V.N. Sedalishchev; Ros. akad. nauk, Sib. otd-nie, In-t vod. i ekol. problem; M-vo obrazovaniya i nauki RF, Alt. gos. un-t. — Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2016. — 162 s.
5. Shifrin K.S. Vvedenie v optiku okeana.
— L.: Gidrometeoizdat, 1983. — 278 s.
6. Optika okeana / pod red. A.S. Monina
— T. 1. Fizicheskaya optika okeana. - M.: Nauka, 1983. - 372 s.
7. Pope R.M., Fry E.S. Absorption spectrum (380-700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements // Applied Optics.
— 1997. - Vol. 36 (330. — P. 8710-8723.
8. Levin I.M. Maloparametricheskie modeli pervichnykh opticheskikh kharakteristik morskoy vody / / Fundamentalnaya i prikladnaya gidrofizika. - 2014. - T. 7. - № 3. - S. 3-22.
9. Kopelevich O.V., Shifrin K.S. Sov-remennye predstavleniya ob opticheskikh svoystvakh morskoy vody // Optika okeana i atmosfery. - M., Nauka, 1981. - S. 4-55.
10. Pelevina M.A. Metodika i rezultaty iz-mereniy spektralnogo pogloshcheniya sveta rastvorennym organicheskim «zheltym» vesh-chestvom v vodakh Baltiyskogo morya / / Svetovye polya v okeane. - M.: IO AN SSSR, 1979. - S. 92-97.
11. Atkins W.R.G., Poole H.H. An experimental study of the scattering of light by natural waters // Proc. Roy. Soc. London B., 1952. - Vol. 140. - P. 321-338.
12. Hojerslev N.K. On the origin of yellow substance in marine environment // Rap. Inst. Fysiks Oceanogr. — Copenhagen, 1980. - No. 42. - P. 57-81.
13. Nyquist G. Investigation of some optical properties of sea water with special reference to lignin sulfonates and humic substances // PhD Thesis, Goteborgs Universitet, Goteborg, Sweden, 1979. - 200 pp.
Выражаем благодарность аспиранту лаборатории гидрологии и геоинформатики ИВЭП СО РАН М.Е. Литвиху за помощь при обработке данных по спектральной прозрачности воды, ведущему инженеру А.А. Коломейцеву за батиметрические данные исследуемого озера, а также И.М. Фроленкову за предоставленные данные измерений концентрации хлорофилла.
+ + +
