Hanna Luhtala on juuri valmistunut tohtoriksi Maantieteen osastolta. Väitöskirjassaan hän tutki vedenalaisen valon dynamiikkaa Itämerellä. Hanna seuraa innokkaasti urheilua, erityisesti salibandya, ja liikkuu mielellään merellä.
Hanna Luhtala has recently graduated as PhD from the Geography section. In the thesis, she investigated underwater light dynamics in the Baltic Sea. Hanna follows sports, especially floorball, and likes to spend time at the sea.
Vedenalaisen valon värit
Auringon lähettämästä säteilystä ainoastaan osa on ihmissilmällä havaittavaa. Tämä näkyväksi valoksi kutsuttu säteilyosuus jakautuu aallonpituuksiin, jotka näyttäytyvät ihmisille väreinä. Vedessä auringonsäteilyn etenemistä hidastavat erilaiset absorptio- ja sirontaprosessit, joista jokainen vaikuttaa hieman eri tavalla eri aallonpituuksiin. Kun vaimenemisprosessien voimakkuudet vaihtelevat alueellisesti ja ajallisesti, myös vedenalaisen valon määrä ja värimaailma muuttuu.
Näkyvän valon aallonpituudet.
Absorptio viittaa valosäteen imeytymiseen tilanteissa, joissa auringonsäteilyn elektromagneettinen energia muuttuu muunlaisiksi energiamuodoiksi, kuten lämpöenergiaksi tai yhteyttämisessä kemialliseksi energiaksi. Sironnassa taas säteily ei imeydy tai muuta muotoaan, vaan muuttaa kulkusuuntaansa ja jatkaa matkaansa yhä edelleen valona. Valon vaimenemiseen sironta vaikuttaa kuitenkin pidentämällä säteilyn etenemismatkaa vedessä. Samalla kasvaa todennäköisyys, että säteily tulee jossain vaiheessa matkaansa myös absorboiduksi.
Vedessä säteilyn vaimenemisprosessit ovat huomattavasti tehokkaampia kuin ilmakehässä. Vedenalainen valo ei kuitenkaan tunkeudu loputtomiin edes kaikkein kirkkaimmissa vesissä. Puhdas vesi vaimentaa voimakkaimmin näkyvän valon pitkiä aallonpituuksia, eli keltaista ja punaista valoa. Niinpä puhdas vesi näyttää suurina määrinä siniseltä, vaikka pieninä määrinä lasissa se onkin kirkasta.
Luonnonvesissä auringonsäteilyä vaimentavat lisäksi erilaiset veteen sekoittuneet ainekset, jotka jaotellaan yleensä kolmeen pääryhmään. Ensimmäiseen ryhmään kuuluvat veteen liuenneet eloperäiset yhdisteet, eli humusainekset. Tätä orgaanista materiaalia kutsutaan yleisesti myös kelta-ainekseksi, sillä se vaimentaa voimakkaasti lyhyitä aallonpituuksia, eli sinistä valoa, muuttaen samalla veden väriä kellertävään suuntaan. Toiseen ryhmään kuuluvat veteen suspendoituneet orgaaniset ja epäorgaaniset ainekset, jotka sirottavat voimakkaasti valosäteilyä samentaen vettä harmahtavaksi. Kolmas ryhmä sisältää erilaisia yhteyttämispigmenttejä, joista ehdottomasti yleisin ja tunnetuin on klorofylli a. Klorofylli eli lehtivihreä hyödyntää tehokkaasti sekä sinistä että punaista valoa, jolloin takaisinpäin heijastuu voimakkaimmin jäljelle jäänyt vihreä valo. Näin klorofylliä sisältävät kasvit näyttävät ihmissilmään vihreiltä. Samalla periaatteella leväpitoiset vedet – kuten ajoittain meidän Itämeremme – näyttävät enemmän tai vähemmän vihertäviltä.
Lomaesitteiden turkoosivetisiä paratiisimaisemia on Itämereltä turha etsiä, sillä Itämeren vesissä on valtameriin nähden huomattavan paljon valoa vaimentavia aineksia. Erityisesti täällä korostuvat korkeat kelta-ainespitoisuudet. Mantereiden lähellä vedet ovat avomerta sameampia, sillä siellä valoa vaimentavat tehokkaasti jokien tuoma orgaaninen ja epäorgaaninen aines sekä matalista merenpohjista uudelleen kiertoon nouseva materiaali. Ajallisesti valaistusolosuhteita määrittävät jokivaluman lisäksi kasvukautta rytmittävät levien massakukinnot. Itämerellä harmia aiheuttavat lähinnä ikävännäköiset sinileväkukinnot, mutta kansainvälisenä ääriesimerkkinä mainittakoon punaiseksi vuorovedeksi kutsuttu ilmiö, jossa eläinten massakuolemia aiheuttavat myrkylliset leväesiintymät voivat muuttaa vesiä jopa huomiota herättävän punertaviksi.
Vesimassoja eri väreissä.
The colours of underwater light
Only a portion of radiation emitted by the Sun is visible to a human eye. This radiation spectrum that is referred to as visible light is divided into wavelengths, which in turn are seen as different colours by humans. In water, the penetration of solar radiation is hindered by absorption and scattering processes, each of which affects different wavelengths of visible light. As the efficiency of these attenuation processes vary in space and time, also the quantity and quality of underwater light changes accordingly.
The wavelengths of visible light.
Absorption refers to the situations where the electromagnetic energy of solar radiation is transformed to other kind of energy forms, such as heat energy or chemical energy in photosynthesis. In scattering, however, radiation does not get removed or transformed but it changes its path and keeps travelling in a new direction. While light remains as light, scattering nevertheless increases its potential to be absorbed as the path distance in water increases.
These attenuation processes are more efficient in water than they are in the air. As water itself attenuates radiation, visible light cannot penetrate into the water column infinitely. Water molecules attenuate longer wavelengths most efficiently, and therefore remove yellow and red light first. Consequently, pure water looks blue in large quantities even though it looks clear in a drinking glass.
In natural waters, light is additionally attenuated by components that are present in water. These components are usually divided into three groups. The first group includes humic substances in a form of dissolved organic material. The material is often referred as yellow substances because they attenuate short wavelengths, or blue light, very efficiently and consequently change waters to appear yellowish in colour. The second group includes suspended organic and inorganic material that scatters light efficiently and turns waters greyish. The third group includes different photosynthetizing pigments, the most common and the most famous of which is chlorophyll a. Chlorophyll utilises blue and red light efficiently, reflecting mostly green light. Therefore, plant leaves including chlorophyll seem green to human eye. Similarly, waters rich in algae – such as our Baltic Sea occasionally – seem greenish.
Turquoise coloured, paradise-like views of holiday brochures cannot be found from the Baltic Sea area because, compared to clear oceans, the sea contains exceptionally high concentrations of attenuating substances. Especially the concentration of yellow substances is particularly high. The waters are usually more turbid closer to the mainland than at the open sea. At coastal locations, attenuating material is provided by river runoffs and re-suspension from shallow seabeds. The seasonal development of underwater light availability is followed by the succession of algal blooms. While the blooms can be unpleasant in the Baltic Sea, harmful algal blooms can cause mass deaths of animals in other coastal locations around the world. These toxic occurrences are sometimes called red tides because of the distinct colour of water during the blooms.
Water masses in different colours.