Světlo

Světlo je část elektromagnetického spektra, které se chová nejen jako vlnové záření, ale i jako částice. Světlo, které člověk dokáže detekovat očima, označujeme jako viditelné světlo a jeho vlnová délka je mezi 380 a 750 nm. Veškerou elektromagnetickou radiaci můžeme charakterizovat vlnovou délkou a frekvencí.

Obr. Elektromagnetické spektrum: Záření, které dopadne na zemský povrch zahrnuje vlnové délky  od 300 nm až do 3000 nm.

Zdroj: Cunningham, 1990

Světlo nad a pod vodní hladinou

Přestože okolo 50% záření, dopadajícího na hladinu vody, náleží do oblasti fotosynteticky aktivního záření (PhAR), absolutní množství záření, které každý den v roce dopadá na hladinu určité vodní plochy, je nejvíce ovlivněno její zeměpisnou šířkou. Rozdíly v množství slunečního záření, které dopadne na akvatické systémy v různých zeměpisných šířkách, jsou dány zejména rozdíly minimálního denního ozáření v zimním období; v letním období jsou rozdíly malé. Na místní a regionální úrovni ovlivňuje množství ozáření topografie okolní krajiny, atmosférické podmínky a zejména oblačnost. Její vliv nám dobře objasní hodnoty intenzity slunečního svitu, získané za zcela jasné a za zcela zatažené oblohy. Obloha zcela zatažená cirry nebo kumuly redukuje dopadající sluneční záření ve srovnání s jasným dnem o 35, respektive 25%. Podobně zatažená obloha straty a nimby, nebo případně mlha, snižuje toto ozáření o 85, respektive 75%. Jezera a řeky v horských údolích nebo jezírka a malé toky obklopené vysokými stromy mohou být také významně zastíněné ve srovnání s  nezastíněnou lokalitou.

Část záření PhAR, která vstupuje do vody jezer, je určena úhlem dopadajících paprsků a vlnami. Čím výše je slunce nad obzorem, tím méně paprsků se odráží od vodní hladiny. V každém případě je tato odražená část PhAR záření poměrně malá – asi 6% (s výjimkou několika hodin před východem nebo po západu slunce) - a to jak za jasného, tak zataženého počasí. Vliv přítomnosti vln je ještě menší (asi 2%). Průměrně se tedy jen 8% celkové energie PhAR záření, dopadajícího v pravé poledne na vodní hladinu, ztrácí při průchodu ze vzduchu do 5cm pod hladinou vody.

Obr. Průnik slunečního světla do vody v závislosti na úhlu dopadu. Ráno, večer a v zimě odráží voda více světla.

Zdroj: Wetzell, 2001

Absorpce, transmise a rozptyl světla ve vodě

PhAR záření, vstupující do vody, je částečně absorbováno organickými částečkami a částečně rozpuštěnými organickými látkami (DOM – dissolved organic matter) a také velmi malými anorganickými částicemi bahna a jílu, splavenými z povodí. Tyto malé částice anorganického původu dominují v oblastech s vysokým stupněm zvětrávání a celoročně nízkými srážkami, kdy jsou řeky v období dešťů přímo nabity částicemi sedimentů, odnášenými z povrchu půdy. Část fotonů je po dopadu na takovouto částici spíše rozptýlena, než absorbována. K dalšímu rozptylu dochází vlivem vlastních molekul vody a rozpuštěných anorganických látek.

Obr. Absorpce slunečního světla v rybniční vodě s různou průhledností A…. velká průhlednost, B….. malá průhlednost.

Zdroj: Hartman, 1998

V těch nejprůhlednějších jezerech a na otevřeném moři, které jsou charakterizované velmi malým množstvím částeček a téměř žádnými DOM, je červená část PhAR spektra (600-700nm) absorbována nejdříve, a tudíž tato část spektra neproniká hluboko. Opačná část  PhAR spektra, modré světlo a ještě kratší ultrafialové záření (UV, méně než 380 nm), je velmi rychle absorbován zejména barevnými DOM. Pouze u výjimečně průhledných jezer s minimem DOM dominují absorpci i této části spektra vlastní molekuly vody a rozpuštěné anorganické látky.

I když modré světlo prochází vysoce transparentní vodou nejlépe, je zároveň značně rozptylováno, protože rozptyl v čisté vodě je v negativní korelaci se čtvrtou mocninou vlnové délky (1/λ)⁴, takže nejvíce náchylné na rozptyl je krátkovlnné modré a UV záření.

Molekuly vody rozptylují světlo ve všech směrech, a to, která se vrací zpět nahoru směrem k pozorovateli, je důvodem modré barvy vody těchto čistých jezer. I velmi malé množství zabarvujících DOM a organických částic velmi rychle absorbuje fotony modré části spektra a způsobuje, že vodou nejlépe prochází světlo zelené. To je pak následně rozptylováno a je důvodem pro zelenou barvu takovéto vody.

Ve vodě s obsahem humusových látek nebo ve vodě zakalené je krátkovlnné záření velmi rychle absorbováno a výsledkem je, že v tom malém množství záření, které proniká do větší hloubky, převládá záření o delší vlnové délce – oranžové a červené (přibližně nad 600nm). Všudypřítomné a často velmi zabarvené DOM mají důležitý vliv na charakter světla prakticky ve všech jezerech. DOM, obsahující ze 40-50% uhlík, můžeme také vyjadřovat jako rozpuštěný organický uhlík (DOC – dissolved organic carbon).

Zdroj: Kalff, 2002

Obr. Absorpce různých barev světelného spektra  po průchodu různými vrstvami vodního sloupce.Čistá voda absorbuje nejlépe červenou a oranžovou část spektra, a proto tyto části spektra nepronikají hluboko. Nejhlouběji pronikají  fialové a zelenomodré  paprsky. Se zvyšujícím se obsahem rozpuštěných organických látek  roste  absorpce světla v modré až fialové části spektra, voda je zabarvena do žluta až hněda.

Zdroj: www.lsbu.ac.uk./water/index.2.html

Zadržený podíl světla označujeme jako extinkci, podíl pronikajícího světla vodním sloupcem jako propustnost (transmisi). V terénních podmínkách lze změřit transmisi a vypočítat z ní extinkci příslušného systému.

Intenzita ozáření v určité hloubce je závislá na množství dopadajícího světla a na extinkčním koeficientu

Iz = I₀ e^-kz

I₀ – záření těsně pod hladinou

Iz –  záření v hloubce z

k – extinkční koeficient

Extinkční koeficient se skládá z koeficientu absorpce (a) a koeficientu rozptylu (s)

Absorpce  I= I_0.e^-az

Rozptyl     I=  I₀ e^-sz

Tab. Hodnoty extinkce a propustnosti čisté vody pro složky světelného spektra

Zdroj: Lellák, Kubíček, 1991