Цвет и прозрачность воды Ладожского озера

Различие между цветом водоема и действительным цветом воды в нем общеизвестны. Цвет водоема зависит от отражения неба, берегов, дна (если озеро неглубокое) и ряда других меняющихся условий, при которых мы видим поверхность озера. В солнечный день озеро выглядит иначе, чем в пасмурный, в тихую погоду – иначе, чем когда по нему бегут морщины волн.

Истинный же цвет воды определяется цветом тех лучей, которые, будучи отраженными от молекул воды и от разных взвесей в ней, более всего рассеиваются и выходят обратно в атмосферу. Цвет, стало быть, в первую очередь зависит от прозрачности воды. При отсутствии взвесей в воде лучше всего рассеиваются короткие лучи, и вода приобретает нормальный для нее (в большой толще) синий цвет. С увеличением мутности возрастает роль рассеивания лучей желтой и красной частей спектра, вода получает желтые и желто-бурые оттенки.

Цвет воды принято устанавливать по шкале Фореля–Уле, полученной путем смешения жидкостей разных цветов. Цвета шкалы подобраны таким образом, что образуют гамму постепенных переходов от чисто голубого (№ I) через зеленовато-голубые и зеленовато-желтые оттенки к бурым и коричневым (№ XXI). Очевидно, шкала эта условна.

В практике гидрохимического анализа употребляется еще термин «цветность», означающий степень окрашенности природных пресных вод растворенными в них органическими веществами гумусового происхождения. Цветность определяют колориметрически: сравнивают окраску профильтрованной воды с окраской специально подобранных растворов минеральных солей (с так называемой платиново-кобальтовой или имитирующей ее шкалой). Степень окраски выражается в градусах: ноль означает, что вода не имеет желтоватого или коричневатого оттенка. Очевидно, что и эта шкала условна. Кроме того, выяснено, что оттенки окрашенности природных вод отличаются от оттенков условной шкалы (Петров, 1964).

Недочеты принятых до сих пор методов определения цвета воды побудили Комплексную ладожскую экспедицию искать более объективные способы, которые позволили бы давать точную характеристику цвета. Большой объем исследований в этом направлении выполнен Б. М. Петровым (1967).

Оказалось, что цвет воды нужно устанавливать при помощи двух координат. Одна из них – длина той волны спектра, которую максимально пропускает вода (А), другая – степень «разбавления» этого чистого спектрального цвета примесью белого (Р). Величина Р (в процентах), называемая чистотой тона, показывает, сколько нужно добавить белого цвета к первой координате, чтобы получился действительный оттенок изучаемой природной воды.

Цвет воды Ладожского озера характеризуется в среднем координатами К=572 ммк, Р=70%. По акватории и по глубине цвет воды меняется очень мало (А от 569 до 573 ммк, Р от 67 до 72%), поэтому можно сказать, что вся вода в озере окрашена в желто-бурые тона (средняя длина волны желтого цвета 590 ммк).

Что касается содержания в воде темноокрашенных органических веществ, которые в основном и придают воде желто-бурые оттенки, то цветность воды в открытой части Ладоги надо считать довольно устойчивой, от 29 до 42°. В прибрежных районах она доходит до 40–50°, а вблизи устьев рек повышается до 100° и более, среднее значение цветности воды озера, выведенное Э. Э. Шерман за четыре года наблюдений из почти 200 определений, равняется 36,2°.

Прозрачность воды измеряется обычно той глубиной (в метрах), на которой в воде перестает быть видимым белый диск диаметром 30 см (диск Секки); речь, стало быть, идет о глубине видимости. Этим путем И. В. Молчанов в свое время установил, что в Ладожском озере в течение года бывает два максимума прозрачности воды: в конце лета, когда реки несут меньше всего мути, а планктон еще не начал отмирать, и зимой подо льдом, что связано с минимумом речного стока и отсутствием взмученности воды под действием ветра. Прозрачность у западного побережья 2–2,5 м, у восточного побережья 1–2 м, в приустьевых участках 0,3–0,9 м, а к центру озера увеличивается до 4,5 м. Наименьшая прозрачность наблюдалась в Волховской губе (0,5–1 м), а наибольшая – к западу от Валаамских островов (летом 8–9, зимой свыше 10 м).

Описанный способ определения прозрачности привлекает своей крайней простотой. Но он же и настораживает своими несовершенствами, так как в известной мере зависит от остроты зрения наблюдателя и, кроме того, в сущности, суммирует оптические свойства разных и при том только поверхностных слоев воды.

Поэтому гораздо лучше отражает действительность другой показатель: коэффициент пропускания, или коэффициент прозрачности, т.е. отношение величины светового потока, прошедшего в воде без изменения направления путь в 1 м, к величине светового потока, вошедшего в воду. Его можно определять по всей глубине как для белого света, так и для отдельных цветов спектра (путем применения соответствующих фильтров).

По ряду свойств, в том числе и по гидрооптическим показателям, воды Ладожского озера слагаются из двух типов вод: речных, поступающих из бассейна озера, и собственно озерных, которые образовались уже в результате трансформации речных вод. А в собственно озерных водах надлежит различать (Петров, 1967) поверхностные воды (верхний слой толщиной 20 м), глубинные, простирающиеся от подошвы поверхностного слоя до горизонта, отстоящего от дна озера на 15–20 м, и. придонные (придонный 15–20-метровый слой). В северной и средней частях озера хорошо выражены все три слоя, но в южной части слой глубинных вод «выпадает», и поверхностные водные массы смыкаются с придонными.

Вследствие взаимодействия с атмосферой, речными водами и под влиянием биологических процессов поверхностные воды испытывают особенно заметные изменения прозрачности. Она меняется в течение года от 0,18 до 0,50, особенно у побережий и в южной части озера. Наиболее прозрачны поверхностные воды у о. Мантинсари.

Максимум прозрачности наблюдается весной (март – апрель), минимум – в начале осени (август – сентябрь).

Прозрачность глубинных вод по сравнению с другими наибольшая, а изменения прозрачности в течение года – наименьшие (от 0,40 до 0,60).

Прозрачность придонных вод уменьшается сверху вниз, т. е. в сторону дна. В толще этих вод из-за их большой вязкости осаждение мелких взвесей замедляется, и, стало быть, мутность воды по мере приближения ко дну увеличивается.

Вследствие того что воды Ладожского озера и воды впадающих в него притоков весьма различны по гидрооптическим показателям, гидрооптический метод позволяет с большой точностью проследить распространение речных вод в озере. Воды Вуоксы распространяются вдоль западного берега и далее к середине озера на 35–40 км.

Воды Волхова распределяются по поверхности Волховской губы, но при некоторых условиях ветрового режима их обнаруживают в открытом озере и в 40–45 км от устья Волхова. Воды Сяси прослеживаются на 8–10 км вдоль восточного берега Волховской губы.

Гидрооптические показатели оказались гораздо более чувствительными индикаторами изменений, происходящих в водных массах, чем температура и гидрохимические особенности.

Вода по-разному поглощает разные лучи. Из невидимой части спектра инфракрасные и ультрафиолетовые практически полностью перехватываются верхним метровым слоем. Глубже проникают только видимые лучи (свет). Весьма интересно определение того слоя воды, в котором осуществляется наиболее полное поглощение лучистой энергии Солнца и ее превращение в тепловую и фотохимическую. Нижнюю границу слоя проводят там, где относительная интенсивность проникающей радиации составляет 1% приходящей.

Специальные исследования по этому вопросу провел К. А. Мокиевский (1968), Опираясь на 900 серий наблюдений, он установил, что средняя толщина слоя, названного им теплоактивным, в Ладожском озере 4 м. В центре озера она 4,5–5 м, на востоке и юге 2,5–3 м, что легко объяснить приносом в восточную и южную части озера мутных и сильно гумифицированных речных вод. Таким образом, основное количество вошедшей в воду солнечной радиации используется в верхнем 3–4-метровом слое.

Из различных факторов, влияющих на проникновение радиации в воду, главную роль играет высота солнца над горизонтом. Оттого осенью проникновение радиации наименьшее, летом – наибольшее. На глубину 10–12 м доходит лишь 0,05% приходящей на поверхность суммарной радиации.