Загрязнение Волги изучают по уникальному «свечению», невидимому человеческому глазу
Самая длинная река в Европе – наша Волга – светится, а точнее, флуоресцирует в невидимом человеческому глазу световом диапазоне. И этим светом река «подает» ученым порой очень тревожные сигналы о своем состоянии. Группа российских ученых из Института океанологии имени П.П. Ширшова РАН, Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского и МГУ имени М.В. Ломоносова исследовали оптические свойства вод реки Волги на протяжении 1500 километров ее течения — от Горьковского до Волгоградского водохранилищ. Старший научный сотрудник НГУ Александр Мольков объяснил, как удалось зафиксировать «ауру» Волги.
Руководитель проекта Александр Мольков во время полевых работ. Источник: Александр Мольков.
Ни для кого не секрет, что с Волгой в последнее время далеко не все в порядке. Кроме бурной хозяйственной деятельности на ее берегах, проблем прибавило и глобальное потепление, которое особо активно проявляет себя в северном полушарии. Если раньше более прохладные российские речные воды меньше всего подвергались цветению, в последнее время, по крайней мере для отдельных участков Волги это стало настоящей проблемой, был запущен даже отдельный проект, направленный на анализ качества воды в реке и ее притоках.
Не так давно на помощь химикам, на которых до последнего времени была возложено основная работа по оценке экологического состояния воды в реках, пришли физики. По данным РНФ, они поставили себе цель разработать метод экологического контроля с помощью оптических методов исследования органического вещества и спутниковой гиперспектральной съемки.
Начиная с весны 2022-го по осень 2024-го года учеными было отобрано и отфильтровано 227 проб волжской воды и измерена их флуоресценция — способность молекул органических веществ светиться под воздействием излучения на определенных длинах волн. Обработав данные с использованием математических алгоритмов, исследователи выделили основные группы органических веществ, определяющих ее состав.
Иван Капустин (справа) и Алексей Ермошкин (слева) во время экспедиционных работ. Источник: Александр Мольков.
– Имеющиеся методы, которыми пользуются подведомственные госслужбы, основаны на химическом анализе проб воды. Мы же пытаемся развить методы дистанционного зондирования со спутников, – поясняет Александр Мольков. – Они позволяют оценить качество воды по ее цвету. Все мы знаем, что цвет воды в разных водоемах различается. Есть более коричневая вода, есть вода зеленоватая, голубая и даже розовая… Это видимый параметр, который по сути является интегральной, суммарной характеристикой воды, которую можно разложить в спектр, как радугу. Поскольку разные компоненты воды имеют свои спектральные особенности, мы при помощи приборов можем проводить их оценку и делать вывод о содержании тех или иных компонентов. Эти компоненты в свою очередь подскажут об интенсивности цветения воды, наличии стоков, замора рыбы и многих других проблемах.
– Быстрее и удобнее. Мы пытаемся уйти от ситуации, когда исследователям надо на лодках добираться до середины реки, чтобы взять пробы. Мы предлагаем экспресс-метод, который будет работать регулярно, без участия человека: спутники (или БПЛА) получают данные, компьютеры обрабатывают данные и сигнализируют.
– Метод этот известен, и на Западе его уже применяют. Но тут есть особенность, – для каждой отдельно взятой реки требуется уточнение, связанное с региональными или сезонными особенностями. Все реки очень разные, и единого атласа пока нет ни у кого.
– Прежде всего составом воды. Понятно, что у всех водоемов есть общая основа – молекулярная вода, в которой уже растворены и взвешены разнообразные вещества, характерные для каждого из водоемов
– Это из-за того, что она берет свое начало на севере, где много озер и болот, в которых происходит перегнивание органических веществ. Именно они влияют на образование такого коричневатого оттенка.
Виды Волги с борта экспедиционного судна. Источник: Александр Мольков.
– Вообще, самыми распространенными среди растворенных веществ оказались органические соединения природного происхождения, образующиеся в почвах и попадающие в Волгу с дождевыми и грунтовыми водами. Содержание таких соединений уменьшается с севера на юг. Это связано с тем, что севернее в реку активнее поступают вещества из близлежащих заболоченных и лесных территорий. Содержание белков и аминокислот было существенно меньше, и мы не смогли выделить какие-либо закономерности их распределения. Резкие изменения содержания этой группы веществ вблизи крупных городов и заводов может указывать на загрязнение речных вод.
– Мы берем пробы воды на месте, фильтруем ее, очищая от взвесей, а потом в лаборатории измеряем спектры флуоресценции при помощи спектрофотометров в лаборатории.
– Мы обследовали участки верхней Волги (Горьковское водохранилище), средней и даже нижней (Волгоградское водохранилище). Выяснилось, что наибольшая флуоресценция (свечение) наблюдается в Горьковском водохранилище. Вероятно, это связано с тем, что здесь в реку активнее всего поступают вещества, принесенные из выше расположенных акваторий и заболоченных территорий. Меньше всего воды Волги флуоресцируют в районах впадения рек Оки и Камы. Воды этих меньших по размеру рек чище, они «разбавляют» богатые органикой воды Волги.