CC BY
37
УДК 551.521.31:556.55"321/323 ББК 26.222.6
Г.Г. Гавриленко, Г.Э. Здоровеннова, Р.Э. Здоровеннов, Н.И. Пальшин, Т.В. Ефремова, А.Ю. Тержевик
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТь ПОТОКА
фотосинтетически активной солнечной радиации
В МЕЛКОВОДНОМ ОЗЕРЕ В ПЕРИОД ОТКРЫТОЙ ВОДЫ*
На основании анализа данных измерений 2013-2014 гг. рассматривается пространственно-временная изменчивость потока фотосинтетически активной солнечной радиации в водной толще небольшого мелководного карельского озера в начале лета. Рассмотрены особенности распределения температуры водной толщи озера на этапе освобождения озера ото льда и формирования сезонного термоклина. Распределение коэффициента экстинкции по вертикали характеризовалось максимальными значениями в поверхностном слое озера и практически постоянными значениями, близкими к единице, глубже 1-1,5 м. Максимальные значения коэффициента наблюдались в поверхностном метровом слое водной массы озера в мае (1,9-2,1 м-1) и июне (1,5-1,75 м-1) 2013 г., когда прозрачность водной толщи была минимальной. Глубже 1,5 м значения kw изменялись в пределах от 0,9 до 1,25 м-1.
Ключевые слова:
коэффициент экстинкции, мелководное озеро, фотосинтетически активная радиация.
Гавриленко Г.Г., Здоровеннова Г.Э., Здоровеннов Р.Э., Пальшин Н.И, Ефремова Т.В., Тержевик А.Ю. Пространственно-временная изменчивость потока фотосинтетически активной солнечной радиации в мелководном озере в период открытой воды // Общество. Среда. Развитие. - 2015, № 3. - С. 186-192.
© Гавриленко Галина Геннадиевна - аспирант, Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН, Петрозаводск; e-mail: south.sun.cr@gmail.com © Здоровеннова Галина Эдуардовна - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, Институт водных проблем
Севера Карельского научного центра РАН, Петрозаводск; e-mail: south.sun.cr@gmail.com © Здоровеннов Роман Эдуардович - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, Институт водных проблем
Севера Карельского научного центра РАН, Петрозаводск; e-mail: south.sun.cr@gmail.com © Пальшин Николай Иннокентьевич - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, Институт водных проблем
Севера Карельского научного центра РАН, Петрозаводск; e-mail: south.sun.cr@gmail.com © Ефремова Татьяна Владимировна - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, Институт водных проблем
Севера Карельского научного центра РАН, Петрозаводск; e-mail: south.sun.cr@gmail.com © Тержевик Аркадий Юрьевич - кандидат технических наук, заведующий лабораторией гидрофизики, Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН, Петрозаводск; e-mail: south.sun.cr@gmail.com
О
Солнечная радиация, проникающая непосредственно в водную толщу озер, является одним из важнейших факторов, регулирующих функционирование озерной экосистемы. Распределение фотосин-тетически активной солнечной радиации (ФАР) с диапазоном длины волны от 400 до 700 нм в водной толще водоемов определяет активность планктонного сообщества и представляет особый интерес в экологических исследованиях. Понимание факторов, ограничивающих проникновение ФАР в водную толщу водоемов, необходимо для решения ряда экологических задач, таких, например, как прогноз начала весенней вспышки цветения фитопланктона в озере. Параметризация ослабления потока ФАР в водной толще мелководных озер остается актуальной задачей современной физической лимнологии.
В период открытой воды проникновение ФАР лимитируется, главным образом, прозрачностью воды. Степень ослабления потока солнечной радиации в среде можно охарактеризовать с помощью коэффициента ослабления (экстинкции). Значения коэффициента экстинкции, полученные в результате лабораторных или полевых измерений, позволяют рассчитывать значения ФАР на заданной глубине в водной толще по значениям на поверхности воды в предположении экспоненциального затухания света в среде. По оценкам, приведенным в работе [8, с. 140], коэффициент экстинк-ции разнотипных озер Фенноскандии изменяется в пределах от 0,5 до 28 м-1, при глубине диска Секки от 13 до 0,35 м.
В целях расширения существующих представлений о распределении света в водной толще мелководных бореальных озер в условиях открытой воды были про-
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 13-05-00338_а, 14-05-917б1_АФ_а, 14-05-00787_а).
Рис. 1. Географическое положение озера Вендюрского, батиметрия озера и положение станции измерений (белый треугольник) и разреза.
ведены полевые измерения потоков ФАР в водной толще небольшого озера Вендюрского (Карелия, Россия). Задачей исследований было изучение пространственно-временной динамики потоков ФАР в водной толще и эволюции коэффициента экстинкции на этапе раннего лета. В этот период за счет роста биопродуктивности уменьшается прозрачность воды, определяющая степень прогрева водного столба и его стратификацию, и играющая, таким образом, существенную роль в формировании вертикального распределения таких важнейших экологических параметров, как температура воды и содержание растворенного кислорода.
Материалы и методы
В качестве объекта исследования было выбрано оз. Вендюрское, расположенное в южной части Карелии (широта 62°10'-62°20'N, долгота 33°10'-33°20'E) (рис. 1). Физико-географическая характеристика озера, описание донных отложений и особенностей водообмена приведены в работе [4, с. 414].
В мае и июне 2013 и 2014 гг. на измерительной станции на глубине порядка семи метров вблизи северного берега оз. Вендюрского (рис. 1) проводилось измерение потоков ФАР в водной толще на разных глубинах. На заякоренный фал, подвешенный на буе, через 0,5-1 м крепились датчики ФАР до глубины 7,2 м. Временной интервал измерений составлял одну минуту. Верхний датчик располагался на глубине 0,2-0.7 м. Для измерений были использованы датчики ФАР (длина волны 400-700 нм) производства фирмы «Alec Electronics», Япония, диапазон чувствительности которых находится в преде-
лах от 0 до 5000 рмолкм-2х-1, разрешение составляет 0,1 рмолкм-2х-1, точность ±1%. Определение глубины диска Секки проводилось в мае и июне 2013 г. на 3-5 станциях разреза. Измерение температуры водной толщи выполнялось в период измерений ФАР в мае и июне 2013 и 2014 гг. с использованием зонда CTD-90M («Sea & Sun Technology», Германия).
Коэффициент экстинкции рассчитывался по формуле:
К (z,z1) = -
1
-ln
Ed ( zi) Ed (z)
где 2 и z1 - горизонты измерений, м, ЕЛ - поток падающей радиации, ^моль-с'-м"2.
В анализе климатических и синоптических условий района исследований использовались данные по одной из наиболее близко расположенных к оз. Вендюр-скому метеостанций Федеральной службы РФ по гидрометеорологии и мониторингу природной среды - МС «Петрозаводск».
Результаты и выводы
Синоптические условия района исследований и температура водной массы озера Вендюрского в мае-июне 2013 и 2014 гг.
После освобождения ото льда водная масса озера некоторое время (порядка 1-3 недель) находится в состоянии, близком к гомотермии [3]. По мере радиационного прогрева температура поверхностных слоев водной массы озера увеличивается. Поскольку в районе исследований в мае нередки низкие ночные температуры, усиления ветра, похолодания продолжительностью в несколько дней, способствующие развитию конвективно-ветрового перемешивания, может происходить постепен-
ен
о
ное выравнивание температуры водной массы.
Май-июнь 2013 г. Во второй-третьей декадах мая и первой половине июня преобладала прохладная ветреная погода, днем температура воздуха не поднималась выше +20°С (за исключением нескольких дней в конце мая, когда температура воздуха достигала +25-28°С), ночью опускалась до +4°С, восточный и северный ветер достигал 6 м-с-1. Разрушение льда и освобождение акватории озера от плавающих льдин продолжалось в течение 1-3 мая 2013 г. Через несколько дней после освобождения ото льда температура воды в центральной части озера от поверхности до дна была однородна и не превышала + 4,2°С, у южного берега достигала +4,7°С и +4,8°С — у северного. В течение второй половины мая и июня происходило активное перемешивание водной толщи озера. Так, 17 июня водная толща озера находилась в состоянии гомотермии с температурой + 16-16,2°С, и только в придонном слое метровой толщины в центральной части озера температура резко уменьшалась до + 12°С. Градиент придонного термоклина достигал 7-9°С-м-1.
Май-июнь 2014 г. Две температурные съемки были выполнены с интервалом в три недели: 19 мая и 11 июня 2014 г. В течение времени между двумя съемками погодные условия характеризовались существенной изменчивостью: 20-25 мая стояла жаркая погода, воздух днем прогревался до +28 - +32°С, ночью охлаждался до + 14-18°С. При этом поверхностные слои водной массы озера активно прогревались. Однако 27 мая наступило резкое похолодание, температура воздуха в течение дня понизилась до +4-7°С, скорость северо-восточного ветра достигала 10 м-с-1, прошла гроза с ливнем. Затем в течение недели стояла холодная ветреная погода с дождями. В период с 4 по 11 июня стояла теплая, но ветреная погода (скорость ветра 3-5 м-с-1), температура воздуха днем поднималась до + 15-26°С, ночью опускалась до +7-17°С. На момент проведения первой съемки (19 мая) была выявлена выраженная изменчивость температуры воды поверхностного 1,5-метрового слоя озера: вблизи северного берега температура достигала +16,4°С, вблизи южного - +10,5°С, в центральной части озера - +12°С. Термоклин располагался на глубинах 1,5-2 м, градиент температуры достигал 4,5-6°С-м-1. Глубже 6 м температура воды была однородна и не превышала 8,5°С. К началу второй декады июня температура поверхностного 0,5-
метрового слоя водной массы повысилась до +18,5-20°С. Термоклин располагался на 0,5-1.5 м. Глубже 6 м температура воды была распределена равномерно и составляла около +13°С.
Потоки ФАР в водной толще озера Вендюрского в период открытой воды в 2013-2014 гг.
Май 2013 г. Измерения прозрачности 8 мая 2013 г. на трех станциях разреза показали, что глубина диска Секки изменяется в пределах 2,5-2,8 м. Измерения ФАР проводились с 9 до 15 ч 8 мая 2013 г. в слое 0-3 м через 0.5 м, глубже до 6 м - через 1 м. Поток ФАР в поверхностном слое характеризовался резкими скачками интенсивности, изменяясь в пределах 500-3000 /¿моль-с'-м-2, со средним значением ~1500 ¿молкс^м-2 (рис. 2, а). Интенсивность облучения быстро убывала с глубиной: на горизонте измерений 0,7 м поток ФАР не превышал 500 ¿моль-с'-м-2, на 1,7 м был менее 100 /¿.молкс^м-2, глубже 3 м был близок к нулю.
Июнь 2013 г. Измерения глубины диска Секки на пяти станциях разреза, проведенные в июне 2013 г., показали, что прозрачность увеличилась почти на метр, по сравнению с майскими измерениями, и изменялась в пределах от 2,9 до 3,7 м. Измерения потоков ФАР в водной толще проводились с 10 ч утра 17 июня до 10 ч вечера 18 июня 2013 г. на глубинах 0,2-2,2 через 0,5 м, глубже до 7,2 м - через 1 м. Поток ФАР достигал 3000 ¿мольх^м-2 в поверхностном слое озера. При часовом осреднении данных поток ФАР на глубине 1.7 м достигал 250 ¿молыс^м-2, на глубине 3 м 100 ¿.мольх^м-2, глубже 4 м был близок к нулю (рис. 2, б).
Май 2014 г. Измерения потоков ФАР проводились с 20 ч 19 мая до 20 ч 21 мая 2014 г. до глубины 2 м через 0.5 м, глубже до 7 м - через 1 м. В поверхностном 0,5 м слое поток ФАР достигал 2000 ¿молыс^м-2 (при часовом осреднении 950 ¿.мольх^м-2), на горизонте 1 м - 750 ¿мольх^м-2 (при часовом осреднении 450 ¿мольх^м-2), на горизонте 3 м - 90 ¿мольх^м-2 (при часовом осреднении 60 ¿мольх^м-2), на 4 м -35 ¿мольх^м-2 (при часовом осреднении 20 ¿мольх^м-2) (рис. 2, в), глубже 5 м был близок к нулю.
Июнь 2014 г. Измерения потоков ФАР проводились с 16 ч 11 июня до 19 ч 15 июня на тех же горизонтах, что и в мае 2014 г. (рис. 2, г). Поток ФАР в поверхностном слое достигал 2500 ¿мольх^м-2, на глубине 1 м не превышал 1000 ¿мольх^м-2. Прозрачность водной толщи стала больше:
Рис. 2. Потоки ФАР на разных глубинах водной толщи озера Вендюрского: (а) - 8 мая 2013 г., (б) - 17-18 июня 2013 г., (в) - 19-21 мая 2014 г., (г) - 11-15 июня 2014 г.
б-г - часовое осреднение данных.
о О
о.
ее ^
о О
Рис. 3. Коэффициенты экстинкции (среднечасовые значения) на разных глубинах водной толщи озера Вендюрского: (а) - 8 мая 2013 г., (б) - 17-18 июня 2013 г., (в) - 19-21 мая 2014 г., (г) - 11-15 июня 2014 г. Числа - глубины наблюдений, м.
при среднечасовом осреднении поток ФАР достигал 150 ^молкс^м-2 на глубине 3 м, на 4 м - 75 /л,молыс-им-2, на 5 м - 20 /л,молыс-им-2, глубже был близок к нулю.
Коэффициент экстинкции. При расчетах коэффициента экстинкции использовались среднечасовые значения потоков ФАР на горизонтах наблюдений. Максимальные значения коэффициента к^ наблюдались в поверхностном метровом слое водной массы озера в мае (1,9-2,1 м-1) и июне (1,51,75 м-1) 2013 г., когда прозрачность водной толщи была минимальной (рис. 3а, б). В мае и июне 2014 г. в поверхностном слое значения к^ не превышали 1,35-1,5 м-1 (рис. 3в, г). В мае 2014 г. и июне 2013 и 2014 гг. глубже 1,5 м значения к^ изменялись в пределах от 0,9 до 1,1 м-1, в мае 2013 г. были немного больше и достигали 1.25 м-1. Существенная изменчивость коэффициента экстинкции в течение дня была отмечена для всех периодов измерений в поверхностном 0,5-1 м слое водного столба.
Распределение коэффициента экстинк-ции по вертикали характеризовалось максимальными значениями в поверхностном метровом слое озера и практически постоянными значениями, близкими к единице, глубже 1-1,5 м (рис. 4). Какой либо зависимости вертикального распределения коэффициента экстинкции от температуры воды выявлено не было: наиболее резкий градиент коэффициента в поверхностном слое был обнаружен в мае и июне 2013 г., когда водная толща озера находилась в состоянии, близком к гомотермии. В то же время, наличие подповерхностного тер-
Рис. 4. Вертикальное распределение коэффициента экстинкции в водной толще озера Вендюрского в период открытой воды в 2013-2014 гг. Осредненные за период измерений значения.
моклина на глубинах 0,5-2 м в мае и июне 2014 г. не оказало заметного влияния на изменение коэффициента экстинкции по вертикали. Приповерхностный максимум коэффициента, по всей видимости, обусловлен скоплением клеток фитопланктона в наиболее благоприятном по условиям освещенности слое.
Изменения коэффициента экстинкции в период открытой воды происходят при изменении прозрачности. Вариации вертикального распределения прозрачности водных масс в период открытой воды определяются сезонным развитием планктона и количеством и перераспределением взвешенного и растворенного вещества, поступающего с водосбора. На примере ряда малых озер Забайкалья показано, что динамика прозрачности обусловлена сезонным развитием планктона и характеризуется максимумом после освобождения ото льда (на этапе перестройки видовой структуры фитопланктона и замены зимних видов на летние) и минимумом в конце лета (на фоне массового скопления водорослей в поверхностных слоях [2, с. 115116]. Суточные миграции зооплактона и выедание им фитопланктона также оказывают определенное влияние на изменение прозрачности поверхностных слоев водоемов [2, с. 118]. Измерения на малопрозрачном Алтайском озере Красиловском (глубина диска Секки около одного метра) показали существенную пространственную (между поверхностными и придонными слоями) и временную (внутрисуточную и межгодовую) изменчивость показателя ослабления света в широком диапазоне от 5 до 10 м-1, с выбросами в придонных слоях до 25-30 м-1 [6, с. 66-67]. В ходе наших измерений также была отмечена как внутрисуточ-ная, так и межгодовая изменчивость коэффициента экстинкции, максимальная в поверхностных слоях озера, и обусловленная, по всей видимости, вертикальным распределением планктона.
Исследования на ряде разнотипных озер юга Западной Сибири показали, что наибольший вклад (30-90%) в показатель
о О
ослабления света летом вносит взвесь, в то время как вклад желтого вещества (6-40%) и хлорофилла (2-35%) заметно меньше [5, с. 62]. В то же время, авторами отмечен существенный рост доли вклада хлорофилла в показатель ослабления света летом по сравнению с зимой. Диапазон показателя ослабления света, определенный авторами для летнего периода (от 3,7 до 26,2 м-1) [5, с. 62] существенно превосходит полученные нами значения, что связано, вероятно, с более высоким трофическим статусом водоемов и повышенным содержанием в них взвеси.
Измерения подводной облученности на озерах Вендюрской группы в начале 1980-х гг. показали, что осредненные по глубине значения показателя ослабления света для летнего периода составляют для центральной части озера Вендюрского 0,82 м-1, для озера Риндозеро 2,07 м-1, для озера Урос 0,41 м-1 [7, с. 53]. Для периода открытой воды показатель ослабления потока солнечной радиации водной толщей озера Урос оценивается также в 0,81 м-1 [1, с. 191].
Полученные нами для вод озера Вендюрс-кого значения коэффициента экстинкции достаточно близки к этим оценкам.
Показатель ослабления солнечной радиации используется в математическом моделировании для решения широкого круга задач, в частности, для расчетов вертикального профиля температуры в моделях теплового бюджета перемешанного слоя [9; 10]. Проведенные нами измерения и анализ опубликованных данных исследований других озер позволяют говорить о высокой вариабельности показателя ослабления солнечной радиации в водной толще водоема в период открытой воды. Для получения статистически достоверных оценок показателя ослабления необходимо проведение длительных измерений с последующим осреднением значений. Использование рассчитанного по «мгновенному» профилю ФАР показателя ослабления может приводить к ошибкам в математическом моделировании, в частности, занижение этого показателя приводит к перегреву» «нижних» слоев воды.
о
Список литературы:
[1] Адаменко В.Н., Кондратьев К.Я., Поздняков Д.В., Чехин Л.П. Радиационный режим и оптические свойства озер. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 300 с.
[2] Вологдин М.П. Гидрооптические особенности малых озер Забайкалья (на примере Ивано-Арах-лейских). - Новосибирск: Наука, 1981. - 136 с.
[3] Гавриленко Г.Г., Здоровеннова Г.Э., Здоровеннов Р.Э. Термический и кислородный режимы мелководного озера после взлома льда // География: традиции и инновации в науке и образовании. - СПб.: Изд-во РГПУ, 2014. - С. 142-144.
[4] Гавриленко Г.Г., Здоровеннова Г.Э., Здоровеннов Р.Э., Пальшин Н.И, Тержевик А.Ю. Термический и кислородный режимы мелководного озера на этапе летнего нагревания // Геополитика и экогеоди-намика регионов. - 2014, № 10 (1). - С. 414-421.
[5] Суторихин И.А., Букатый В.И., Акулова О.Б. Спектральный вклад компонентов озерной воды в показатель ослабления света в разнотипных водоемах юга Западной Сибири // Изв. АлтГУ, серия «Физика». - 2015, № 1-1(85). - С. 59-63.
[6] Суторихин И.А., Букатый В.И., Янковская У.И., Акулова О.Б. Суточная изменчивость спектрального показателя ослабления света в пресноводном водоеме (на примере оз. Красиловского) // Изв. АлтГУ, серия «Физика». - 2015, 1-1(85). - С. 64-69.
[7] Чехин Л.П. Световой режим водоемов. - Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1987. -130 с.
[8] Arst H., Erm A., Herlevi A., Kutser T., Leppдranta M., Reinart A., Virta J. Optical properties of boreal lake water in Finland and Estonia // Boreal Env. Research. - 2008, №13. - Р. 133-158.
[9] Mironov D., Terzhevik A., Kirillin G., Jonas T., Malm J. & Farmer D. Radiatively-driven convection in ice-covered lakes: observations, scaling and a mixed-layer model // J. Geophys. Res. - 2002, № 107(C4). -С. 7-1-7-16.
[10] Zaneveld J.R.V., Kitchen J.C. & Pak H. The influence of optical water type on the heating rate of a constant depth mixed layer // Journal of Geophysical Research. - 1981, № 86(C7). - С. 6426-6428.
