Geographical Studies of Underwater Light Dynamics in the Coastal Archipelago of SW Finland, Baltic Sea

Abstract

The underwater light field is an important environmental variable as it, among other things, enables aquatic primary production. Although the portion of solar radiation that is referred to as visible light penetrates water, it is restricted to a limited surface water layer because of efficient absorption and scattering processes. Based on the varying content of optical constituents in the water, the efficiency of light attenuation changes in many dimensions and over various spatial and temporal scales. This thesis discusses the underwater light dynamics of a transitional coastal archipelago in south-western Finland, in the Baltic Sea. While the area has long been known to have a highly variable underwater light field, quantified knowledge on the phenomenon has been scarce, patchy, or non-existent.

This thesis focuses on the variability in the underwater light field through euphotic depths (1% irradiance remaining), which were derived from in situ measurements of vertical profiles of photosynthetically active radiation (PAR). Spot samples were conducted in the archipelago of south-western Finland, mainly during the ice-free growing seasons of 2010 and 2011. In addition to quantifying both the seasonal and geographical patterns of euphotic depth development, the need and usability of underwater light information are also discussed. Light availability was found to fluctuate in multiple dimensions and scales. The euphotic depth was shown to have combined spatio-temporal dynamics rather than separate changes in spatial and temporal dimensions. Such complexity in the underwater light field creates challenges in data collection, as well as in its utilisation. Although local information is needed, in highly variable conditions spot sampled information may only poorly represent its surroundings. Moreover, either temporally or spatially limited sampling may cause biases in understanding underwater light dynamics. Consequently, the application of light availability data, for example in ecological modelling, should be made with great caution.

Vesien kirkkaus tai vaihtoehtoisesti sameus vaikuttaa vedenalaisluonnon toimintaan monin tavoin. Valaistusolosuhteiden merkitys ympäristömuuttujana korostuu erityisesti elämää ylläpitävän perustuotannon kautta, sillä näkyväksi valoksi kutsumamme auringonsäteilyn osuus mahdollistaa yhteyttämisen niin vedessä kuin kuivalla maallakin. Vedessä valo ei kuitenkaan tunkeudu pintakerrosta syvemmälle, sillä erilaiset absorptio- ja sirontaprosessit vaimentavat sen etenemistä tehokkaasti. Valosäteilyn vaimenemistehokkuus taas vaihtelee moniulotteisesti vedessä olevien vaimentavien ainesten pitoisuuksien mukaisesti. Tässä väitöskirjassa käsitellään vedenalaisen valon vaihteludynamiikkaa Itämeren rannikolla. Tutkimus keskittyy Lounais-Suomen saaristoon, joka laajana saaristovaihettumavyöhykkeenä tarjoaa monipuolisen ja vaihtelevan tutkimusalueen. Tämän saaristoalueen on jo pitkään tiedetty olevan valaistusolosuhteiltaan hyvin vaihteleva, mutta tarkkaa tutkimustietoa näistä vaihteluista oli saatavilla hyvin vähän, jos lainkaan.

Väitöskirja perehtyy vedenalaisten valaistusolosuhteiden vaihteluun käsittelemällä erityisesti veden valaistun pintakerroksen, eli eufoottisen kerroksen, paksuutta ja sen muutoksia. Eufoottiset syvyydet, joissa 1 % pintakerroksen läpäisevästä auringonsäteilystä on jäljellä, määriteltiin jäättömänä aikana kasvukausina 2010 ja 2011 mitatuista valomäärän syvyysprofiileista. Sen lisäksi, että tutkimuksessa tuotettiin mitattua tietoa valaistun kerroksen alueellisista vaihettumista ja kasvukauden aikaisista muutoksista, työssä pohditaan myös valomäärätiedon tarvetta ja sen soveltamiseen liittyviä haasteita. Koska valon saatavuuden muutokset ovat alueellis-ajallisesti moniulotteisia ja -tasoisia, ei edustavan aineiston kerääminen ja edes kattavan tiedon tehokas hyödyntäminen ole yksiselitteistä tai ongelmatonta. Alueella, jossa olosuhteiden vaihtelut ovat suuria, paikallisen tason tiedonkeruun merkitys korostuu, mutta samalla yksittäisten mittauspisteiden edustavuus voi olla hyvinkin heikkoa. Joko alueellisesti tai ajallisesti rajalliset kenttämittaukset taas saattavat aiheuttaa vääristyneen yleiskuvan veden valaistusolosuhteista. Näin ollen valoaineistojen soveltaminen, esimerkiksi ekologiseen mallinnukseen, on syytä tehdä harkiten ja huolella.