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Entscheidungshilfen für zukünftigen Unterwasser- Spektrophotometer-Einsatz im Brienzersee.

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Academic year: 2021

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Entscheidungshilfen für zukünftigen Unterwasser- Spektrophotometer-Einsatz

im Brienzersee.

Einige Infos zusammengestellt von Peter Bossard 14. Juli 2004

Theoretische Grundlagen aus dem Buch von John T.O. Kirk

„Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems“

Konkrete Beobachtungen aus (von D. Finger und P.

Bossard) gemessenen Spektrogrammen

des Brienzer- und VW-Sees

(2)

Properties defining the radiation field

Radiant Flux (P) is the time rate of flow of radiant energy in W (J s

-1

) or in quanta s

-1

(P is usually measured per unit area)

Downward Irradiance (E

d

): Value of irradiance on the upper face due to the downwelling light stream

Upward Iirradiance (E

u

): Value of irradiance on the lower face due to the upwelling light stream

Scalar Irradiance (E

o

): integral of the radiance distribution at a point, which treats radiation from all directions equally

Irradiance Reflectance (R): Ratio of the upward to the downward irradiance at a given point in the field, R = E

u

/ E

d

Absorptance (A) and scatterance (B) are the fractions of the radiant flux lost from the incident beam, by absorption and scattering, respectively.

The sum of absorptance and scatterance is referred to as attenuance (C)

(3)

Equations and Coefficients:

Downward Irradiance: K

d

= - d ln E

d

/ dz Upward Irradiance: K

u

= - d ln E

u

/ dz Scalar Irradiance: K

o

= - d ln E

o

/ dz

K = attenuation coefficient

Absorption Coefficient (a), Scattering Coefficient (b), in m

-1

Beam Attenuation Coefficient (c): c = a + b

Absorption and scattering are inherent optical properties of a water body. Their magnitudes depend on the substances comprising the

aquatic medium and not on the geometric structure of the light fields that may pervade it.

The vertical attenuation coefficient (K

d

) and the reflectance (R) are

classified as apparent optical properties. They also include, strictly

speaking, properties of the radiation field.

(4)

Transfer of radiance:

Ein Lichtstrahl verliert auf seinem Weg einige Photonen durch

Streuung. Er erhält jedoch auch einige Photonen, welche vom

Nachbarstrahl in seinen Weg gestreut werden. Zudem werden

Photonen auch durch das Medium (z.B. Luft, Wasser)absorbiert.

(5)

Spektrale Verteilung der Sonnenstrahlung

Im sichtbaren Bereich absorbieren O

3

, O

2

und H

2

O Lichtenergie beim Durchtritt durch die Atmosphäre.

Die Luftfeuchtigkeit spielt demzufolge eine Rolle im

langwelligen roten Lichtbereich.

(6)

Wichtige Licht-absorbierende Komponenten im Wasserkörper

a) Wasser: absorbiert sichtbares Licht mit zunehmender Wellenlänge, faktisch nur im roten Bereich

Destilliertes Wasser

erscheint leicht hellblau

(7)

Wichtige Licht-absorbierende Komponenten im Wasserkörper

b) Chlorophylle, vorwiegend im Phytoplankton

Sie absorbieren sichtbares Licht in zwei Peaks im blauen und im roten Bereich

Absorptions-Spektrum in situ einer

Phytoplankton Probe

(8)

vorwiegend

Degradationsprodukte von

Humus (Gelbstoffe) und Detritus

Sie absorbieren Sonnenstrahlung insbesondere im UV-Bereich. Mit zunehmender Wellenlänge nimmt die Absorption im sichtbaren

Bereich ab

400 700

Wichtige Licht-absorbierende Komponenten im Wasserkörper

c) gelöste organische Substanzen (DOC):

(9)

Wichtige Licht-absorbierende Komponenten im Wasserkörper

d) suspendierte tote Partikel (Tripton):

Tripton absorbiert normalerweise Licht nicht sehr stark, streut es jedoch

beträchtlich.

Absorption

durch Partikel

(10)

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000

270 370 470 570 670 770 870 970 1070

air 10cm 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m 10m 11m 12m 13m

Brienzersee, Juli 2004, Downwelling radiation, ambient intensity

H

2

O-, O

2

- und O

3

- bedingte „Löcher“

Licht dringt in den Wellenlängen des grün-gelben Bereiches am tiefsten ein.

(11)

Brienzersee, Juli 2004

Die kleinsten K

d

(= grösste Transparenz) sind im

grünen Farb- Bereich

In 4 m Tiefe befindet sich eine

besonders transparente Schicht

stärkere Streuung

von K

d

in tieferen

Schichten

(12)

Brienzersee, Juli 2004, Messungen mit GER 1500, K

d

versus wavelength in various depths

Absorption durch H

2

O?

Absorption durch Partikel + DOC?

starkes Rauschen im langwelligen Bereich bei grösseren Tiefen sichtbares Licht

leichter Buckel

verursacht

durch ?

(13)

K

d

aus der Downwelling Radiation von 0.1 bis 2.5 m Tiefe im Monat Juli:

Vergleich zwischen Brienzersee und Vierwaldstättersee bei Gersau

Der Attenuationskoeffizient ist beim Vergleich dieser zwei Probenahmen im Brienzersee wesentlich grösser als im VW-See.

Der wellenlängenabhängige Verlauf von K

d

(0.1 – 1 m) im VW-See unterscheidet sich von den andern K

d

s in bezug auf die Auslenkung am oberen Ende des sichtbaren

Bereichs und im UV-Bereich.

Ansonsten sind die relativen Formen der Attenuationskurven recht ähnlich.

(14)

K

d

aus der Downwelling Radiation in verschiedenen Tiefen (Durchschnittswerte):

Vergleich zwischen Brienzersee (links) und Vierwaldstättersee bei Gersau (rechts)

In beiden Seen ist im kurz- und langwelligen Bereich mit zunehmender Tiefe ein grösser werdendes Rauschen zu beobachten.

Ansonsten ist der Kurvenverlauf der Attenuation in den beiden Seen recht ähnlich.

Es fallen keine ins Auge springenden seetypischen spezifischen Merkmale auf.

Wenn es solche gibt, müssten sie allenfalls aus Detailinformationen heraus-

destilliert werden.

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