на какую глубину проникает ультрафиолетовое излучение в воде

База знаний

Бассейн установлен и готов к использованию? Самое время подумать о грамотном окружении вокруг него. Сегодняшний выбор аксессуаров и мебели позволяет воплощать самые смелые идеи для обстановки вокруг домашнего бассейна или спа.

Ультрафиолетовое излучение (ультрафиолет, УФ, UV) — это электромагнитное излучение, занимающее диапазон между видимым и рентгеновским излучением (380-10 нм, 7,9Ч1014-3Ч1016 Гц).
Диапазон условно делят на ближний (380-200 нм) и далекий, или вакуумный (200-10 нм) ультрафиолет. Последний так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой и исследуется только вакуумными приборами.

Виды ультрафиолетового излучения

Биологические эффекты ультрафиолетового излучения в трех спектральных участках существенно различаются, поэтому биологи иногда выделяют, как наиболее важные в их работе, следующие диапазоны:

Практически весь UVC и приблизительно 90% UVB поглощаются озоном, а также водяным паром, кислородом и углекислым газом при прохождении солнечного света через земную атмосферу. Излучение из диапазона UVA достаточно слабо поглощается атмосферой.

Поэтому радиация, достигающая поверхности Земли, в значительной степени содержит ближний ультрафиолет UVA, и, в небольшой доле — UVВ.

Природные источники

Основной источник ультрафиолетового излучения на Земле — это Солнце. Соотношение интенсивности излучения УФ-А и УФ-Б, общее количество ультрафиолетовых лучей, достигающих поверхности Земли, зависит от следующих факторов:

Искусственные источники

Благодаря созданию и совершенствованию искусственных источников УФ-излучения, шедшими параллельно с развитием электрических источников видимого света, сегодня специалистам, работающим с УФ – излучением в медицине, профилактических, санитарных и гигиенических учреждениях, предоставляются существенно большие возможности, чем при использовании естественного УФ-излучения.

Разработкой и производством УФ-ламп для установок фотобиологического действия (УФБД) в настоящее время занимаются фирмы Philips, Osram, Radium, Sylvania и др.

Номенклатура УФ-ламп для УФБД весьма широка и разнообразна. Так, например, у ведущего в мире производителя фирмы Philips она насчитывает более 80 типов. В отличие от осветительных, УФ-источники излучения, как правило, имеют селективный спектр, рассчитанный на достижение максимально возможного эффекта для определенного фотобиологического процесса.

Обеззараживание воды

Ультрафиолетовые (т.н. кварцевые) лампы используются для обеззараживания как питьевой воды, так и оборотной воды в бассейнах. В наиболее распространенных ртутных лампах низкого давления 86% излучения приходится на длину волны 254 нм, что хорошо согласуется с одним из двух пиков кривой бактерицидной эффективности (т.е. эффективности поглощения ультрафиолета молекулами ДНК).

Один из этих пиков находится в районе длины волны излучения равной 265 нм, а второй — 185 нм. Излучение с длиной волны 185 нм оказывает большее влияние на ДНК, однако кварцевое стекло, используемое для изготовления колбы лампы, также как и другие природные вещества (например, вода) менее прозрачно для волн этого диапазона и более прозрачно для 265 нм волн.

УФ-дезинфекция выполняется при облучении находящихся в воде микроорганизмов УФ-излучением определенной интенсивности в течение определенного времени.

В результате такого облучения микроорганизмы «микробиологически» погибают, т. к. теряют способность к воспроизводству. УФ-излучение, имеющее бактерицидную длину волны 260 нм или близкую длину волны, проникает сквозь стенку клетки переносимого водой микроорганизма и поглощается ДНК, называемой генетической цепочкой микроорганизма, в результате чего процесс воспроизводства микроорганизма прекращается. Бактерицидное УФ излучение на этих длинах волн вызывает димеризацию тимина в молекулах ДНК. Накопление таких изменений в ДНК микроорганизмов приводит к замедлению темпов их размножения и вымиранию.

Метод дезинфекции с использованием УФ-излучения доказал свою эффективность при дезактивации переносимых водой болезнетворных микроорганизмов и вирусов без ухудшения вкуса и запаха воды и без внесения в воду нежелательных побочных продуктов.

Такой метод дезинфекции завоевывает популярность в качестве альтернативы или дополнения к традиционным средствам дезинфекции, таким, как хлор, из-за своей безопасности, экономичности и эффективности. В связи с тем, что подобные лампы воздействуют только на те микроорганизмы, которые непосредственно подвергаются воздействию их излучения, возникает проблема недостаточного стерилизационного эффекта непосредственно в чаше бассейна. Именно по этой причине кварцевые лампы применяются только в комплексе с другими методиками дезинфекции.

Зачем УФ нужен

Хлорирование воды, проводимое в больших масштабах, вызвало широкое распространение резистентных к хлору микроорганизмов, среди которых немало патогенных.

Сочетание УФ-лучей и хлора в водоподготовке бассейнов обеспечивает высокий бактерицидный эффект в отношении споровых и хлороустойчивых форм бактерий и вирусов. При совместной обработке воды хлором и бактерицидным облучением в 2-3 раза снижается расход хлора, упрощается эксплуатация оборудования.

В процессе обработки воды образуется большое количество хлорорганических соединений, токсичность которых превышает токсичность исходных веществ. Это может представлять реальную угрозу и купающимся, и обслуживающему персоналу. УФ-излучение вызывает реакцию фотоокисления, в результате которой эти соединения разлагаются до простых составляющих — вплоть до таких, как углекислый газ и вода. Вместе с хлораминами и тригалогенметанами исчезает и неприятный «хлорный» запах, аллергические проявления и другие неприятные ощущения, связанные с применением хлора.

Установки УФ-обеззараживания, производимые фирмой Philips, имеют корпус из высококачественной нержавеющей стали. Внутренняя поверхность подвергается электрохимической полировке, что очень положительно сказывается на коррозионной устойчивости и отражающей способности устройства (эффективность лампы повышается примерно на 30% при той же мощности).

Эти установки легко можно вмонтировать в систему уже имеющегося оборудования водоподготовки, они имеют небольшие габаритные размеры, просты в монтаже и эксплуатации, совместимы с любыми способами водоподготовки и дезинфекции.

После облучения УФ-лучами частотой 253,7 нм у микроорганизмов нарушается метаболизм клеток, теряется способность к размножению (на 4-5 часов), что способствует их уничтожению даже малыми концентрациями дезинфектантов. Снижается зависимость скорости роста водорослей от уровня рН и наличия фосфатов. Вода дополнительно насыщается кислородом, выделяющимся в результате фотохимических реакций, вследствие чего улучшается чистота и свежесть воды. Образуется озон (в микроколичествах), оказывая дополнительное окислительное воздействие, в том числе и на механические загрязнения. УФ-излучение повышает окисляющую способность активного хлора или кислорода.

Применение ультрафиолета в обработке воды — одно из самых перспективных направлений в поисках альтернативных, экологичных, надежных и недорогих способов обеззараживания.

Источник

На какую глубину проникает ультрафиолетовое излучение в воде

8. Проникновение солнечного ультрафиолета в воду

Узнав, как солнечный ультрафиолет проходит через атмосферу различного состава, мы должны теперь рассмотреть его проникновение в воду. Ведь ранняя жизнь не могла существовать на суше в непосредственном контакте с атмосферой, через которую свободно проходили смертоносные ультрафиолетовые лучи. Ранняя жизнь, конечно, была защищена от этого излучения или горными породами, или почвой, или водой озер и морей.

Уже тонкого слоя горной породы или почвы достаточно для защиты от коротковолнового ультрафиолета, однако передвижение по порам в толще песка или глины или из одной естественной пещеры в другую весьма затруднительно. В крупных водоемах передвижение организмов требует значительно меньших усилий. Поскольку эволюция хотя бы на некоторых этапах предполагает достаточно хорошее сообщение между разными популяциями и биотопами и поскольку на заре развития жизни для защиты от ультрафиолета требовался значительный слой воды, можно предположить, что главную роль в развитии жизни сыграли именно обширные водоемы. В этом разделе мы рассмотрим ограничения, накладывавшиеся на раннюю жизнь проникновением ультрафиолета через атмосферу и верхние слои гидросферы. На графике, приведенном на фиг. 94, показано проникновение солнечного ультрафиолета разной длины волны в жидкую воду при разных уровнях содержания кислорода в атмосфере.

Сравнивая фиг. 94 с графиками, приведенными в предыдущем разделе, мы видим, что наш новый график охватывает более широкий участок спектра. Дело в том, что в предыдущих разделах мы интересовались главным образом неорганическими фотохимическими реакциями синтеза «органических» соединений. Такие реакции протекают под действием света с длиной волны до 210 нм. Теперь же нас интересует летальное действие солнечного ультрафиолета на живое вещество, т. е. речь идет уже не о возможности синтеза, а о возможности избежать распада. Живые клетки сильнее всего поглощают ультрафиолет с длиной волны от 240 до 280 нм. Облучение таким светом может быть смертельным даже при энергии ниже установленного нами предела поглощения, т. е. ниже 1 эрг на 1 см 2 в спектральном интервале шириной 5 нм. Вот почему сейчас мы будем говорить об ультрафиолете с несколько большей длиной волны.

На фиг. 94 показано общее поглощение ультрафиолета водой, кислородом и озоном. В чисто теоретическом случае облучения водоема, не защищенного никакой атмосферой, проникновение ультрафиолетового солнечного излучения в воду описывается гладкой кривой (сплошная линия на фиг. 94). Вода практически непрозрачна для жесткого ультрафиолета: свет с длиной волны 180 нм пройдет в воде меньше 1 см. Свет с длиной волны около 280 нм пройдет уже около 10 м, прежде чем поглотится; красные же лучи видимого спектра проникают до глубины 100 м.

В случае примитивной атмосферы, в которой содержание кислорода не превышает 0,001 его современного уровня, положение изменится слабо.

При содержании кислорода до 0,01 современного кривая поглощения имеет уже совсем иной характер. Это связано не с каким-либо изменением свойств самой воды и даже не с действием кислорода, как могло бы показаться, судя по графику, приведенному на фиг. 90, а с тем, что при таком содержании кислорода вступает в игру озон, образующийся в атмосфере из кислорода.

Сильное поглощение озоном ультрафиолета с длиной волны от 240 до 270 нм (фиг. 91) приводит к ослаблению этих волн уже в атмосфере. Становится также значительным поглощение в атмосфере более коротковолнового излучения, и теперь для полного поглощения солнечного ультрафиолета достаточно слоя воды толщиной всего 1 м.

При повышении содержания кислорода в атмосфере до 0,1 современного совместное действие кислорода и озона распространяется до длин волн около 290 нм. Это означает, что весь смертоносный ультрафиолет поглощается в атмосфере. Жизнь уже не нуждается в подводном убежище и может выйти на сушу.

Источник

В свете ультрафиолета

ВИДЯТ ЛИ РЫБЫ УЛЬТРАФИОЛЕТ И ДЛЯ ЧЕГО ИМ ЭТО НУЖНО

В последнее время все чаще в рыболовной литературе всплывает тема ультрафиолета и его значения в жизни рыб. Как правило, на соседней стра­нице обнаруживается рассказ о новых приманках, которые отражают ультрафиолетовые лучи и поэтому неотразимы для хищника. Что во всем этом правда, а что чистая коммерция? Попробуем разобраться.

ПРОНИКНОВЕНИЕ УФ-ЛУЧЕЙ В ВОДУ

Сегодня ученым известны де­сятки видов рыб, глаза которых чувствительны к ультрафиолету. Очевидно, что это неспроста и УФ- лучи должны играть в жизни рыб какую-то роль.

Известно, что сквозь земную атмосферу «с наименьшими поте­рями» проникают лучи с длиной волны от 320 до 400 нанометров – так называемый ультрафиолет-А (UV-A). Как раз эти лучи и пред­ставляют для нас интерес, посколь­ку именно к ним чувствительны глаза многих рыб. Более коротко­волновый свет (UV-B и UV-C) интен­сивно рассеивается и поглощается в верхних слоях атмосферы и до по­верхности Земли доходит в значи­тельно меньших количествах. Правда, в последние годы в связи нарушением озо­нового слоя атмосферы все больше UV-B стало достигать поверхности планеты.

Что касается прохождения УФ- лучей сквозь воду, то здесь все зависит от свойств этой последней. В наиболее чистой и прозрачной океанической во­де ультрафиолет-А специальные прибо­ры фиксируют на глубине по крайней ме­ре 100 м. При этом, правда, уже на глуби­не 4–5 м от общего потока УФ-излучения остается только половина, а на глубине 40–45 м – всего 0,1%.

Но совершенно чистая океаническая вода – явление не так часто встречающе­еся. В обычной же морской воде ультра­фиолетовые лучи сильно рассеиваются различными растворенными в ней орга­ническими веществами, поэтому вода, богатая растворенной органикой, про­пускает ультрафиолет гораздо хуже. На­пример, в Балтийском море каждый метр воды «съедает» 14% ультрафиолетового света. Отсюда следует, что его «хватает» только до глубин порядка 7 м.

Еще большие потери происходят в пресных водах. Например, в Нижнем Лунцском озере в Австрии глубже одного метра УФ-лучей уже почти нет. Еще более резкое рассеяние ультрафиолета происхо­дит в озере Мэри, штат Висконсин. Вода в нем коричневого цвета из-за обилия орга­нических веществ, и здесь уже на глубине один метр ультрафиолет отсутствует пол­ностью.

В целом, в водоемах со средним со­держанием в воде растворенных органи­ческих веществ половина всего УФ-света рассеивается уже в первых двух метрах водной толщи, а на глубине 10–12 м оста­ется не более 1% общего потока ультра­фиолетовой радиации. Замеры, прове­денные во многих озерах Северной Аме­рики, показали, что в четверти из них вода пропускает на глубину 4 м только 1% УФ-радиации.

Тем не менее «проницаемость» во­ды для ультрафиолета вполне достаточна для того, чтобы считать его важным био­логическим фактором, который должен оказывать влияние на жизнь и поведение водных обитателей.

Прежде всего надо вспомнить, что уль­трафиолет может оказывать на живые ор­ганизмы прямое, причем пагубное, воз­действие. Знакомые нам всем солнечные ожоги – самое безобидное его проявление. Гораздо опаснее способность УФ-радиации разрушать структуру хромосом водных обитателей и вызывать всевозможные гу­бительные мутации.

Один из способов защиты от избы­точного ультрафиолета основан на из­бегании опасных горизонтов воды. Это обнаружено у молоди некоторых видов рыб, таких, например, как снеток. Ока­залось, что стайки мальков снетка с утра держатся близ поверхности озера, но как только солнце поднимается на опреде­ленную высоту, они опускаются ниже и остаются там, пока солнце не начнет са­диться. Это поведение не удавалось свя­зать ни с изменениями освещенности, ни с зонами концентрации корма, ни с ка­кими другими факторами, кроме одно­го – интенсивности УФ-радиации. Оказа­лось, что мальки уходят глубже именно на то время дня, когда поток ультрафио­лета наиболее сильный. Причем стайка опускается ровно на столько, на сколько проникает под воду ультрафиолет. Этот факт, кстати, возможно, будет полезно знать спиннингистам, поскольку стайки снетка и других мелких рыб – излюблен­ный объект охоты многих хищников.

То, что снетки так опасаются ультра­фиолета, совсем не лишено оснований. Достаточно сказать, что в одном из ис­следований, проводившихся на анчоусах (рыбках из отряда сельдеобразных), бы­ло обнаружено, что при эксперименталь­ном повышении УФ-излучения на 20% против нормы все рыбы в верхнем слое воды до глубины 10 м погибли в течение 15 дней.

УЛЬТРАФИОЛЕТ И ЗРЕНИЕ РЫБ

Тот факт, что рыбы способ­ны избегать зон высокой интен­сивности УФ-лучей, сам по себе говорит о том, что у них имеют­ся какие-то органы, чувствитель­ные к этому типу электромаг­нитных волн. Действительно, в последние 20–30 лет чувствитель­ность глаз к ультрафиолетовым лу­чам экспериментально установле­на для многих видов рыб. Вот, для примера, небольшая выборка из всего списка: северный анчоус, го­льян, плотва, карась, карп, красно­перка, радужная форель, кумжа, семга, нерка, гуппи, желтый окунь. Однако есть основания думать, что УФ-чувствительность распростра­нена среди рыб гораздо шире, чем это удалось пока установить с по­мощью трудоемких экспериментов. Дело в том, что за способность гла­за видеть ультрафиолет у рыб отвечает определенный ген, и этот ген обнаружен у большого числа видов из самых разных отрядов. По этой причине многие ученые полагают, что УФ-чувствительностью об­ладает гораздо больше видов, чем сегод­ня известно.

Итак, из всего предыдущего можно сделать два важных вывода. Во-первых, ультрафиолетовые лучи способны прони­кать в воду на достаточную с точки зре­ния обычных условий рыбалки глубину. И, во-вторых, в отличие от людей и боль­шинства млекопитающих, многие рыбы способны видеть ультрафиолетовый свет.

Можно, следовательно предполо­жить, что поведение рыб, в том числе и такое важное для рыболовов, как поиск и поедание корма, должно каким-то обра­зом зависеть от условий УФ-освещения под водой. Это заманчивое направле­ние мысли, и первое, что тут приходит на ум, – это применение приманок, ко­торые отражают УФ-лучи. Раз рыба спо­собна видеть ультрафиолетовый свет, то приманка, его отражающая, будет для нее более заметной и, вполне вероятно, и более привлекательной.

Именно такой ход мысли несколь­ко лет назад привел американца Мил­на Джекла к созданию специального УФ- отражающего спрея, которым надлежит опрыскивать приманки перед ловлей. Спрей этот появился в продаже в США под названием Fool-a-fish – «Обдури ры­бу». Если верить м-ру Джеклу, Fool-a-fish обладает просто фантастическими свой­ствами. С его помощью удается поймать рыбу – причем, естественно, трофейного размера – даже тогда, когда на обычные приманки не ловится вообще ничего.

Сама по себе шумиха вокруг Fool-a-fish мало чем отличалась бы от других от­кровенно рекламных кампаний, если бы Милн Джекл не был при этом профессио­нальным химиком и не обставил бы свои маркетинговые усилия «весомыми» на­учными обоснованиями. И прежде всего ссылками на ученых, которые в своих ста­тьях утверждают, что рыбы способны ви­деть ультрафиолет.

И тут создателя Fool-a-fish упрекнуть вроде бы не в чем. Действительно, как уже говорилось, чувствительность к уль­трафиолету обнаружена у многих рыб. Но, как ни прискорбно, рыболовам от этого проку мало. Во всяком случае, не так много, как можно подумать, почитав тексты Милна Джекла.

Дело в том, что большинство рыб УФ- чувствительностью обладает только на ранних стадиях своей жизни. Во взрос­лом же состоянии они способность ви­деть ультрафиолет утрачивают. Приме­ры: карась, карп, окунь, часть видов лосо­сей, из морских рыб – палтусы, морские налимы, треска. У личинок этих и мно­гих других рыб в сетчатке имеются зри­тельные клетки, которые воспринимают ультрафиолет. Однако по мере перехода к взрослой жизни эти клетки постепенно редуцируются – исчезают.

Справедливости ради нужно сказать, что это происходит, конечно, не у всех рыб. Например, не утрачивают способно­сти видеть УФ-лучи очень многие обита­тели коралловых рифов. Сохраняется она и у некоторых других видов. Но проблема в том, что, насколько это сейчас известно ученым, все эти рыбы используют свою УФ-чувствительность во взрослой жизни не для добывания пропитания, а для со­всем других целей: для поиска и привле­чения брачного партнера, при образова­нии стаи и при прочих так называемых социальных взаимодействиях.

Но и это еще не все. Оказывается, у многих рыб с переходом во взрослое со­стояние в роговице глаза образуются спе­циальные вещества, которые работают, как УФ-фильтры, не пропускающие уль­трафиолет к сетчатке. Такие фильтры об­наружены у 120 видов как морских, так и пресноводных рыб из 49 семейств, причем многие из них – рыбоядные хищники.

Из сказанного понятно, что спрей Милана Джекла, нанесенный на спин­нинговую приманку, вряд ли может сде­лать ее более заметной и привлекатель­ной для хищника.

БЕЗ УЛЬТРАФИОЛЕТА ЛУЧШЕ

Но почему же так происходит? По­чему дополнительный канал зрительной информации, которым, как мы увидим, личинки рыб успешно пользуются для до­бывания пищи, у взрослых рыб это свое значение утрачивает?

Пищу огромного большинства рыб на ранних стадиях развития составляет план­ктон – мельчайшие организмы, парящие в толще воды. Основной прием охоты личи­нок – короткие броски, которые чередуют­ся с остановками и осмотром окружающе­го пространства. Этот способ охоты так и называют: scan-and-strike – «осмотр – бро­сок». Свою добычу личинка способна обна­ружить на очень небольшом расстоянии, обычно в пределах сантиметра, и зрение играет тут основную и решающую роль.

Именно с целью быть как можно ме­нее заметными для рыб-планктонофагов планктонные организмы обычно обла­дают почти прозрачным телом (на фото внизу). Но поскольку, в силу своего обра­за жизни, они подолгу находятся в верх­них слоях воды, где уровень УФ-радиации достаточно высок, им приходится за­щищаться от ее опасного воздействия. Обычный способ такой защиты – это раз­личные УФ-поглощающие капсулы и гра­нулы, закрывающие от УФ-лучей жиз­ненно важные органы животного. Но по­глощая ультрафиолет, эти образования неизбежно становятся более контрастны­ми и, соответственно, лучше заметными для тех, кто обладает ультрафиолетовым зрением. Очень наглядно этот эффект по­казан на фото в верхнем левом углу стра­ницы. Оно было сделано в солнечный день над коралловым рифом. Левый кадр снят обычной камерой, правый – каме­рой, «видящей» ультрафиолет.

Сказанное делает понятным, почему для личинок рыб так важно обладать спо­собностью видеть УФ-свет. Но почему бы не пользоваться этим и взрослым рыбам?

Причина в том, что если бы глаза взрослой рыбы были способны видеть УФ-свет, то обнаружение пищи стало бы для нее очень трудной задачей. Ультрафи­олет, проходя сквозь воду, очень сильно рассеивается – гораздо в большей степе­ни, чем лучи видимой части спектра. Из- за этого в толще воды возникает эффект «вуали» – своего рода светящегося тума­на, который, во-первых, ограничивает дистанцию видимости предметов, а во- вторых, не позволяет рассмотреть их де­тали. Понятно, что и то, и другое крайне важно для взрослой рыбы, будь она хищ­ником или мирным бентофагом. Личин­ке же, чей зрительный мир ограничен де­сятком миллиметров и которую детали пока еще мало интересуют, все это ни­сколько не мешает.

Эффект УФ-вуали тем сильнее, чем сильнее вода рассеивает ультрафиолет. Наиболее сильно он выражен в пресной воде, значительно меньше – в чистой океа­нической воде. Видимо, этим и объясняет­ся, что УФ-зрением обладают, в частности, рыбы коралловых рифов – там негативные стороны этой способности проявляются, вероятно, не так остро. Рыбы, как, впро­чем, и другие живые организмы, вынуж­дены всегда выбирать меньшее из двух зол. По-видимому, для таких сложных и насыщенных сообществ, как коралловые рифы, дополнительный канал зритель­ной информации, который можно исполь­зовать при социальных контактах, – вещь более важная, чем побочные неудобства, с ним связанные.

Что же все вышеизложенное озна­чает с точки зрения рыбной ловли? Я бы сказал, что означает оно только одно: уль­трафиолет имеет к рыбалке очень опосре­дованное отношение. Проникновение УФ- лучей в воду стоит принимать в расчет как один из факторов, влияющих на выбор ры­бой глубины и вообще своего местораспо­ложения в данный момент времени. Но не надо думать, что УФ-лучи серьезно повли­яют на то, как рыба воспринимает вашу приманку – неважно, способна она отра­жать ультрафиолет или нет.

Если, конечно, не иметь в виду сверх­ультралайтовую снасть, предназначен­ную для ловли личинок рыб на имитации планктонных организмов.

Итак, из всего предыдущего можно сделать два важных вывода.

Во- первых, ультрафиолетовые лучи способны проникать в воду на до­статочную с точки зрения обычных условий рыбалки глубину.

И, во- вторых, в отличие от людей и большинства млекопитающих, многие рыбы способны видеть ультрафиолетовый свет.

Источник