Одним из в значительной степени непредвиденных последствий изменения климата может быть снижение способности солнечного света дезинфицировать озера, реки и прибрежные воды, что может привести к увеличению количества передающихся через воду патогенов и болезней, которые они могут вызывать у людей и диких животных..
Новое исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, показывает, как увеличение количества органического вещества, смываемого в водоемы, может снизить способность ультрафиолетовых лучей Солнца, убивающих патогены, проникать через поверхность воды.
Ученые уже замерили усиление «потемнения» мировых вод, явление, вызванное большим количеством органического вещества, смываемого с окружающей земли. Ожидается, что эта тенденция сохранится, поскольку потепление климата приводит к более экстремальным осадкам и таянию вечной мерзлоты, что усугубляет проблему.
В новом исследовании, проведенном Университетом Майами в Огайо, исследователи проанализировали образцы воды и использовали модель, основанную в Национальном центре атмосферных исследований (NCAR), чтобы впервые количественно оценить воздействие растворенных органических веществ. о способности УФ-излучения Солнца убивать патогены 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 снабжения питьевой водой и прибрежного рыболовства по всему миру».
Исследование стало результатом сотрудничества нескольких ученых из разных дисциплин, которые работают в Группе по оценке воздействия на окружающую среду Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде (UNEP EEAP). Сбор данных и моделирование, используемые в этом исследовании, финансировались несколькими грантами 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 растворенного органического вещества содержится в каждом из них, а также длины волн света, включая ультрафиолетовые волны, поглощаемые этим органическим веществом.
Затем ученый NCAR Саша Мадронич использовал эту информацию, а также результаты моделирования тропосферной ультрафиолетовой-видимой модели для расчета потенциала солнечной инактивации (SIP) для каждого озера. SIP - это показатель ожидаемой дезинфицирующей способности УФ-излучения в конкретном водоеме, основанный на растворенном в нем органическом веществе и других характеристиках.
Модель NCAR Tropospheric Ultraviolet-Visible, моделирующая, как ультрафиолетовый свет рассеивается и поглощается при прохождении через атмосферу Земли, использовалась для определения того, сколько ультрафиолетового света попадает на поверхность озер в течение года.
Мадронич также проанализировал отражение и преломление поверхности каждого озера, чтобы рассчитать, сколько света проникает в озера, а затем, наконец, насколько глубоко он достигает.
Поскольку у ученых уже есть некоторое представление о том, какие длины волн УФ-излучения наносят наибольший ущерб каким переносимым через воду патогенам, ученые смогли использовать выходные данные модели для расчета SIP для каждого озера. В некоторых случаях они также рассчитывали эту меру ожидаемой дезинфицирующей способности в разных частях или в разные периоды времени в одном и том же озере.
Результаты позволили ученым количественно оценить воздействие растворенных органических веществ. Например, SIP в летнее время для одного озера на северо-востоке Пенсильвании, которое, наряду с другими региональными озерами, за последние десятилетия значительно потемнело, сократилось примерно вдвое в период с 1994 по 2015 год..
В калифорнийском озере Тахо 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 растворенных органических веществ, чем в относительно нетронутый центр озера.
Ученые также показали, как SIP может резко уменьшиться после сильного ливня, используя образцы воды, собранные в районе, 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, прошедшего 21 июня 2011 года, показало, что SIP мог снизиться на целых 22 процента из-за дополнительного количества растворенного органического вещества, вымытого в этот район 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 во все времена года.
Сотрудничество в разных дисциплинах
Исследование подчеркивает возможные проблемы для руководителей водоснабжения и работников здравоохранения, поскольку климат продолжает нагреваться, а экстремальные осадки становятся все более частыми. По словам Уильямсона, увеличение содержания растворенных органических веществ не только затрудняет дезинфекцию водоемов солнечным светом, но и затрудняет эффективную работу водоочистных сооружений. В Соединенных Штатах уже от 12 до 19 миллионов человек ежегодно заболевают патогенами, передающимися через воду.
Исследование также подчеркивает важность работы в разных научных дисциплинах, чтобы полностью понять последствия изменения климата в системе Земля, сказал Мадронич, атмосферный химик.
«То, что происходит в атмосфере, влияет на то, что происходит в озерах», - сказал он. «Это не отдельные части мира. Все это взаимосвязано».