水の透明度

水の透明度は、可視光が水中をどれだけ深く透過するかを表す用語です。光の透過に加えて、水の透明度という用語は、水中の可視性を説明するためにもよく使用されます。水の透明度は、酸素濃度、汚染物質や藻類の有無とともに、人間が水質を測定する方法の1つです。 ^[1]

水の透明度は水中生態系の健全性を左右します。水中に生息する動植物に届く光の量に影響するからです。植物にとって、光は光合成に必要です。水中環境の透明度によって、水生植物が生息できる深さの範囲が決まります。^{[2] [3] [4] [5]}水の透明度は、魚などの視覚動物が獲物をどれだけよく見ることができるかにも影響します。^{[6] [7] [8] [9]}透明度は、川、池、湖、貯水池、河口、沿岸の潟湖、外洋など、あらゆる種類の水域に生息する水生植物や動物に影響を与えます。

水の透明度は、レクリエーションや不動産価値から地図作成、防衛、安全保障に至るまで、人間が水と関わる方法にも影響を及ぼします。水の透明度は、水質、レクリエーションの安全性、美観、環境全体の健康に対する人間の認識に影響を及ぼします。^{[10] [11]}グレートバリアリーフを訪れた観光客は、レクリエーションの満足度のために水の透明度条件を改善するために喜んでお金を払いました。^[12]水の透明度は、ウォーターフロントの不動産価値にも影響を及ぼします。米国では、水の透明度が1％改善すると、不動産価値が最大10％上昇しました。^{[13] [14] [15] [16]}水の透明度は、上空または水中から水中のターゲットを視覚化するために必要です。これらの用途には、地図作成や軍事作戦が含まれます。カキ礁や海草床などの浅瀬の特徴を地図作成するには、ドローン、飛行機、または衛星からそれらの特徴が見えるほど水が透明でなければなりません。^{[17] [18]} 水の透明度は、可視光を使用して潜水艦などの水中の物体を検出するためにも必要です。^{[19] [20] [21]}

水の透明度は複数の技術で測定されます。これらの測定値には、セッキ深度、光の減衰、濁度、ビームの減衰、有色溶解有機物による吸収、クロロフィル a色素の濃度、および全浮遊物質の濃度が含まれます。透明な水は一般的に、セッキ深度が深く、光の減衰が低く (光の浸透が深い)、濁度が低く、ビームの減衰が低く、溶解物質、クロロフィル a、および/または全浮遊物質の濃度が低くなります。濁度が高い水は一般的に、セッキ深度が浅く、光の減衰が高く (光の深さへの浸透が少ない)、濁度が高く、ビームの減衰が高く、溶解物質、クロロフィル a、および/または全浮遊物質の濃度が高くなります。^[22]

セッキ深度は、円盤が人間の目に見えなくなる深さです。この測定法は1865年に考案され、最も古い海洋学的方法の1つです。^{[23] [24]}セッキ深度を測定するには、白または白黒の円盤をポールまたはラインに取り付け、ゆっくりと水中に下ろします。円盤が見えなくなる深さが、水の透明度の尺度となります。^{[25] [26]}セッキ深度は、透明度または水中の視認性の尺度として最も役立ちます。

光減衰係数（「光減衰」と略されることが多い）は、深さによる太陽放射量の減少を表します。この係数を計算するには、表面から 1% の照度の深さまでの一連の深さで光エネルギーを測定します。次に、ビールの法則を使用して、次の式で光の指数関数的減少を計算します。

${\displaystyle {I_{z} \over I_{0}}=e^{-kz}}$

ここでkは光減衰係数、Iz_は深さzにおける光の強度、I0_は海面における光の強度である。^{[27] [28]} これは次のように翻訳される。

${\displaystyle k={ln{I_{z} \over I_{0}} \over -z}}$

この測定は、特定の色の光に対して行うことも、より広くすべての可視光に対して行うこともできます。光合成有効放射（PAR）の光減衰係数は、深さに伴うすべての可視光（400〜700 nm）の減少を指します。光減衰は、深さに伴う沈降光（Kd）の減少またはスカラー光（Ko）の減少として測定できます。^{[29] [30] [31]光減衰は、植物}プランクトンや水中の水生植物などの植物が利用できる水中の光エネルギーの総量を測る指標として最も有用です。

濁度は、検出器に対して 90 度の角度で粒子によって散乱される光に基づいて水の濁度を測る尺度です。濁度センサーは、光源と検出器が互いに 90 度の角度で配置された状態で水中に配置されます。光源は通常、赤色光または近赤外光 (600～900 nm) です。濁度センサーは、濁度計または比濁計とも呼ばれます。濁度が高いほど、水中の粒子の数が多くなり、検出器によって粒子による散乱光がより多く拾われます。濁度は、これらのセンサーが低コストで、水中での長期設置にも耐えられるほど頑丈であることが多いため、長期モニタリングに最も役立ちます。^{[32] [33] [34] [35]}

ビーム減衰は、一端に光源、もう一端に検出器が一平面上にある透過率計と呼ばれる装置で測定されます。水を通して検出器に伝達される光の量がビーム透過率であり、失われる光の量がビーム減衰です。ビーム減衰は、本質的には光透過率の逆です。ビーム減衰係数が低い透明な水は光透過率が高く、ビーム減衰係数が高い濁った水は光透過率が低くなります。ビーム減衰は、外洋のような貧栄養水域の粒子状有機炭素の代理として使用されます。 ^[36]

有色溶存有機物（CDOM）は光を吸収し、水を暗くまたは茶色く見せます。CDOMによる吸収は、水の透明度を測る1つの基準です。水中のCDOMの量が多い場合でも、透明度は視認性という点では依然としてかなり高いですが、水の色は黄色または茶色に変わり、CDOM濃度が低い水よりも暗く見えます。CDOMは他の色よりも青色光を強く吸収するため、水が暗くなるにつれて、水の色が可視光スペクトルの黄色と赤色の部分にシフトします。^[37]たとえば、CDOM濃度が高い湖では、湖の底は人間の目にはっきりと見えるかもしれませんが、同じ湖の水でも白い表面は黄色や茶色に見えることがあります。

総浮遊物質濃度（TSS）は、フィルター（通常は約0.7マイクロメートルの孔径を持つフィルター）で捕らえられた水中のすべての物質の濃度（単位水量あたりの乾燥重量）です。これには、鉱物粒子（シルト、粘土）、有機デトリタス、植物プランクトン細胞など、水中に浮遊するすべての粒子が含まれます。透明な水域ではTSS濃度は低くなります。TSSの別名には、総浮遊物質（TSM）や浮遊粒子状物質（SPM）などがあります。浮遊沈殿物濃度（SSC）という用語は、TSSの鉱物成分を指しますが、TSSと互換的に使用されることもあります。必要に応じて、揮発性（有機）および固定（無機）浮遊物質の濃度を、強熱減量法を使用して分離することができます。この方法では、フィルターをマッフル炉で燃焼させて有機物を燃やし、鉱物粒子と植物プランクトン細胞の無機成分を含む灰を残します。TSS = 揮発性浮遊物質 + 固定浮遊物質です。^[38]

クロロフィルa濃度は、特に浮遊堆積物や有色の溶存有機物濃度が低い場合に、水の透明度を測定するために使用されることがあります。クロロフィルa濃度は植物プランクトンバイオマスの代理指標であり、生物学的一次生産による水の濁度を定量化する1つの方法です。^[39]クロロフィルa濃度は、一次生産、光減衰への植物プランクトンの影響、有害な藻類の大量発生の研究に最も役立ちます。クロロフィルa濃度は、これらのセンサーが低コストで、水中での長期設置に十分な耐久性を備えていることが多いため、長期モニタリングにも役立ちます。

最も透明度の高い水は、南太平洋環流などの貧栄養海域、熱帯沿岸水域、堆積物の流入量が少ない氷河湖、流入点で何らかの自然濾過が行われている湖で発生します。ニュージーランドのブルーレイクは、セッキ深度が230〜260フィートで、あらゆる湖の中で最も透明度が高い湖の記録を保持しています。ブルーレイクには近くの湖から地下水が流れ込んでおり、自然の濾過器として機能しています。^[40] 他に非常に透明度の高い水域としては、米国のカリフォルニア州とネバダ州の間にあるタホ湖、 ^{[41]ロシアの}バイカル湖、^[42]米国のオレゴン州にあるクレーターレイクなどがあります。 ^[43]

熱帯沿岸海域では、栄養分の流入量が少なく、一次生産量も低く、サンゴ礁が堆積物が再浮遊するのを防ぐ天然の緩衝材として機能しているため、水は澄んでいます。^[44] 地球上で記録されている最も透明度の高い水は、ニュージーランドのブルーレイクか南極近くのウェッデル海で、どちらもセッキ水深は80メートル（230〜260フィート）です。^{[43] [40]}

陸上から大量の懸濁堆積物が運ばれる場所では、水の透明度が非常に低くなることがあります。例としては、大量の堆積物を含む河川が海に流れ込む河口があります。一例としては、南米ウルグアイとアルゼンチンの間にあるラプラタ川の河口で、ウルグアイ川とパラナ川が大西洋に流れ込みます。ラプラタ川の長期平均TSS濃度は20～100グラム/立方メートルで、ほとんどの河口よりも高くなっています。^{[45]もう1つの例は、}ミシシッピ川がメキシコ湾に流れ込む北米の湾岸です。毎年春になると、雪解け水と雨で濁った水が大量の堆積物を下流に流し、堆積物のプルームを形成して水の透明度を非常に低くします。^[46]また、火山の噴火などの極端な事象の後には、水域の水の透明度が低下することがあります。セントヘレンズ山の噴火後、ワシントン州スピリット湖の水は湖中の朽ちた木々によって黒くなり、セッキ深度はわずか1～2センチメートルになった。^[43]

水の透明度は水質よりも具体的です。「水の透明度」という用語は、より厳密には、水を通過する光の量や水中の物体の可視性を表します。「水質」という用語は、より広義には、温度、溶存酸素、栄養素の量、藻類の存在など、水の多くの特性を指します。水がどれだけ透明に見えるかは、水質の1つの要素にすぎません。^{[1] [5] [47]}

水中の生態系は、水の透明度が高くても水質が低い場合があり、その逆もあります。科学者は、多くの湖が酸性雨からの回復とともに透明度が低下していることを観察しています。この現象は、米国北東部と北ヨーロッパで確認されています。過去には、一部の湖は生態学的には裸でしたが、酸性度は高かったのです。近年、酸性度が低下し、流域の森林化が進むにつれて、多くの湖の透明度は低下していますが、溶存有機炭素の濃度が高く、より自然な水質で生態学的にはより健康的になっています。^{[48] [49] [50]}

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