В новом исследовании, опубликованном в журнале Scientific Reports, показано, как увеличение количества органического вещества, смываемого в водоемы, может сдерживать способность убивающих патогены ультрафиолетовых лучей Солнца проникать через поверхность воды.
Ученые уже измерили увеличение «потемнения» вод в мире, явление, вызванное смыванием большего количества органических веществ с окружающей суши. Ожидается, что эта тенденция сохранится, поскольку потепление климата приведет к более сильным дождям и таянию вечной мерзлоты, что усугубляет проблему.
В новом исследовании, проведенном Университетом Майами в Огайо, исследователи проанализировали образцы воды и использовали модель, основанную на Национальном центре атмосферных исследований (NCAR), чтобы впервые количественно оценить влияние растворенного органического вещества на потенциал ультрафиолетового излучения. излучение Солнца для уничтожения болезнетворных микроорганизмов в воде.
«Большая часть исследований до этого момента была сосредоточена на самом потемнении, а не на экологических последствиях», – сказал ведущий автор Крейг Уильямсон, эколог из Университета Майами. «Мы смогли определить, что в некоторых случаях потемнение снижает способность солнечного света дезинфицировать воду в 10 раз. Это может иметь серьезные последствия для источников питьевой воды и прибрежного рыболовства во всем мире."
Исследование явилось результатом сотрудничества множества ученых из разных дисциплин, входящих в Группу оценки воздействия на окружающую среду Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде (UNEP EEAP).
Сбор данных и моделирование, использованные в этом исследовании, финансировались за счет нескольких грантов Национального научного фонда, спонсора NCAR.
Количественная оценка воздействия
Для исследования Уильямсон и его коллеги использовали образцы воды, взятые из озер по всему миру, от Пенсильвании и Висконсина до Чили и Новой Зеландии.
Образцы воды были протестированы, чтобы определить, сколько в каждом из них растворенного органического вещества, а также длины волн света, включая длины ультрафиолетовых волн, поглощаемых этим органическим веществом.
Затем ученый NCAR Саша Мадронич использовал эту информацию, а также результаты моделирования тропосферной модели в ультрафиолетовой и видимой области для расчета потенциала солнечной инактивации (SIP) для каждого озера. SIP – это показатель ожидаемой дезинфицирующей способности ультрафиолетового излучения в конкретном водоеме, основанный на его растворенном органическом веществе и других характеристиках.
Модель NCAR Tropospheric Ultraviolet-Visible, которая имитирует рассеивание и поглощение ультрафиолетового света при прохождении через атмосферу Земли, использовалась для определения того, сколько ультрафиолетового света попадает на поверхность озер в течение года.
Мадроних также проанализировал отражение и преломление от поверхности каждого озера, чтобы вычислить, сколько света проникает в озера и, наконец, насколько глубоко он проникает.
Поскольку ученые уже имеют некоторое представление о том, какие длины волн ультрафиолетового света наносят наибольший ущерб каким болезнетворным микроорганизмам, передающимся через воду, ученые смогли использовать результаты модели для расчета SIP для каждого озера. В некоторых случаях они также рассчитали этот показатель ожидаемой дезинфицирующей способности в разных частях одного и того же озера или для разных периодов времени.
Результаты позволили ученым количественно оценить воздействие растворенного органического вещества. Например, летний SIP для одного озера на северо-востоке Пенсильвании, которое вместе с другими региональными озерами сильно потемнел в последние десятилетия, снизился примерно вдвое в период с 1994 по 2015 год.
В озере Тахо в Калифорнии, SIP может быть в десять раз ниже в заливе Тахо-Микс, районе на краю озера, который интенсивно используется людьми и имеет гораздо более высокий уровень растворенного органического вещества, чем в относительно нетронутом центре озера. озеро.
Ученые также показали, как SIP может резко снизиться после сильного дождя, используя образцы воды, собранные в регионе, где река Манитовок впадает в озеро Мичиган, которое обеспечивает питьевой водой более 10 миллионов человек. Моделирование, основанное на образцах, взятых до и после сильного шторма 21 июня 2011 года, показало, что SIP, возможно, упал на целых 22 процента из-за дополнительного растворенного органического вещества, которое смыло в область во время этого единственного шторма.
Кроме того, результаты для всех озер показали значительно более сильный SIP летом, когда Солнце находится выше в небе, чем зимой. Озера на возвышенностях также имели более высокие SIP в любое время года.
Сотрудничество в разных дисциплинах
В исследовании подчеркиваются возможные проблемы для менеджеров по водоснабжению и работников здравоохранения, поскольку климат продолжает нагреваться, а экстремальные осадки становятся все более распространенным явлением. По словам Уильямсона, увеличение количества растворенных органических веществ не только затрудняет дезинфекцию водоемов солнечным светом, но и затрудняет эффективную работу водоочистных сооружений.
В Соединенных Штатах от 12 до 19 миллионов человек ежегодно заболевают болезнетворными микроорганизмами, передающимися через воду.
По словам Мадрониха, химика атмосферы, исследование также подчеркивает важность работы в разных научных дисциплинах, чтобы полностью понять влияние изменения климата на всю систему Земли.
«То, что происходит в атмосфере, влияет на то, что происходит в озерах», – сказал он. "Это не отдельные части мира. Все это связано."