Transcript svetlo_teplo_kyslik_ZH_131031

LIMNOLOGIE
Evžen Stuchlík,
Zuzana Hořická, ÚŽP PřF UK
31.10.2013
Sluneční záření,
světelné klima a
tepelný režim vod,
plyny rozpuštěné ve vodě
- kyslík
Globální záření: 100 – 3000 nm
FAR (fotosynteticky aktivní záření) : 380 – 710 nm
PAR – photosyntetically available radiation
Infračervené = tepelné záření: > 710 nm
Faktory ovlivňující množství a spektrální složení
světla dopadajícího na zemský povrch
- Odraz
- Rozptyl
- Absorpce (O3; O2, CO2, H2O)
po odrazu
Sezónní změny intenzity globálního záření v různých zeměpisných šířkách
vytváří teplotní gradient na Zemi
- rozdíly ve srážkách
- pohyby vzduchu
- teplotní stratifikace jezer
Faktory ovlivňující množství a spektrální složení světla
pronikajícího pod vodní hladinu
odraz od vodní hladiny závisí na
– úhlu dopadajícího záření (denní a sezónní změny)
– charakteru povrchu hladiny (vlny, sníh, led)
přímé záření
difúzní záření
Faktory ovlivňující množství a spektrální složení světla
pronikajícího pod vodní hladinu
Odraz, rozptyl a absorpce ve vodním sloupci
Absorpce (extinkce) závisí na
- množství a typu částic (průhlednosti vody)
- koncentraci a charakteru rozpuštěných látek (barvě vody)
IZ = I0 e-kz
I0 – záření těsně po hladinou
IZ – záření v hloubce z
k – extinkční koeficient
k = kw + kp + kc
w – water
p – particles
c – color
IZ = I0 e-kwz + I0 e-kpz + I0 e-kcz
k = (ln I0 – ln Iz) / z
Transmitance (propustnost světla) v destilované vodě
Red
Orange
Yellow
Green
Blue
Violet
720
620
560
510
460
390
Ve vodních nádržích
nejhlouběji proniká
zelená složka záření a
modrá složka se zachycuje
v povrchové vrstvě v
důsledku přítomnosti
rozpuštěných organických
látek
nm
nm
nm
nm
nm
nm
IR – infračervené (tepelné záření)
Je absorbováno kvantitativně v povrchové vrstvě vody
- způsobuje selektivní ohřev vodní hladiny
- je příčinou teplotní stratifikace jezer
UV – ultrafialové záření
UV C – 40 – 280 nm - malé množství, nebezpečné
UV B – 280 – 320 nm – změny DNA, nebezpečné
UV A – 320 – 400 nm – mírně nebezpečné
pronikání do vody –
UV A – nejhlouběji
UV B
UV C – nejméně hluboko
organické látky ve vodě (DOC) – silná absorpce – fotodegradace
huminových látek – zpřístupňování organických látek
pro mikroorganismy
Světlo a fotosyntéza
v jezeře/nádrži – vrstva
eufotická, trofogenní P>R
afotická, trofolytická P<R
kompenzační bod – produkce je v rovnováze z respirací (P~R)
tloušťka eufotické vrstvy je hloubka vody,
do které proniká 1% podpovrchové intenzity světla
(zeu ~ 1% I0)
zeu = (ln 100 – ln 1)/k = 4.6/k
k – konverzní faktor
Hodnotu k lze získat:
- měřením světla ve vodním sloupci pyranometrem, fotometrem
- měřením průhlednosti vody (transparency) Secchiho deskou
?? k=1.7/zSD ??
30. léta 20. stol., moře -- 1.7
90. léta 20. stol. -- rozsah konverzního faktoru 0.5 – 3.8
1.7
- podhodnocuje v barevných vodách – huminové látky
- nadhodnocuje v zakalených vodách
Význam světla pro heterotrofní organizmy ve vodě
- přijímání potravy
- vertikální a horizontální migrace
- shlukování (crowding)
kritické – 0.04 % I0
světlo potřebné pro ryby nebo zooplankton pro orientaci je
o několik řádů nižší než světlo potřebné pro fotosyntézu
Teplotní stratifikace
Závislost
změn
hustoty
vody na
teplotě
Změna teploty ve vodním sloupci:
vliv konvekčního proudění a větru
Sezónní vývoj teplotní stratifikace dimiktické nádrže
mírného pásma
Roční cyklus – dimiktické jezero/nádrž
A
B
C
D
E
jarní míchání
začátek letní stratifikace
vrchol letní stratifikace
podzimní míchání
zimní (převrácená) strat.
Typy stratifikace
jezero/nádrž:
amiktické – trvale zamrzlé, není „klasické míchání“
studené monomiktické – led; 1 míchání; léto bez ledu
studené polymiktické – led; mělké; léto bez ledu
dimiktické
teplé polymiktické – bez ledu; mělké; vícekrát mícháno
teplé monomiktické – bez ledu; hluboké
Typy stratifikace
Holomixie x Meromixie
nedojde k promíchání celého vodního sloupce
chemoklina, haloklina
čas
Eufotická vrstva
vs. epilimnion
Plyny ve vodě
Rozpustnost plynů ve vodě
(i) chemická povaha plynu a kapaliny - reagující plyny jsou rozpustné hodně
(NH3, CO2 ve vodě), nereagující méně (O2, N2 ve vodě; interakce dané
polárními a nábojovými vlastnostmi částic)
(ii) tlak - Henryho zákon - rozpustnost za dané teploty je úměrná parciálnímu
tlaku nad roztokem:
c = KH × p
T=konst.
kde KH je Henryho konstanta,
(iii) teplota - s rostoucí teplotou rozpustnost klesá (rozdíl oproti většině
pevných látek je rozpouštění plynů v kapalinách je exotermní proces)
Faktory ovlivňující rozpustnost plynů ve vodě
teplota
atm. tlak
pokles s nadm. výškou o 1,4% na každých 100 výškových metrů
(Slapy 4%, Římov 6%, Ľadové pleso ~30%)
složení atmosféry
tlak ve vodním sloupci
Pz=P0+9.8z
kombinace atm. a hydrostatického tlaku, možnost přesycení v hloubce
salinita
exponenciální pokles se vzrůstem koncentrace solí
Nasycení, přesycení, podsycení
Kyslíkové profily
Orthográdní: koncentrace kyslíku jsou blízké koncentracím nasycení ve
všech hloubkách (oligotrofní jezera)
Klinográdní: vykazuje deficit ve spodní vrstvě (hypolimniu).
- respirace rostlin, respirace živočichů, bakteriální respirace při rozkladu,
- fotochemické děje - např. oxidace huminových látek UV zářením (pouze u
dystrofních vod v létě),
- chemické oxidace (FeII, MnII).
Pozitivní heterográdní: metalimnetické maximum
- přirozený vznik (nižší saturační koncentraci v létě v epilimniu a zároveň
v hypolimniu vyčerpávání),
- fotosyntézou planktonních řas, nárostových řas anebo makrofyt.
Negativní heterográdní: metalimnetické minimum
- respirace zooplanktonu;
- rozklad sedimentujícího sestonu (n. Římov, Švihov);
- bakteriální oxidace methanu a vodíku unikajících ze sedimentů;
- velká plocha dna v dané hloubce
Kyslík
koncentrace ve vodě je výsledkem
1) fyzikálních procesů (rozpustnost a výměna s atmosférou)
2) metabolických procesů (fotosyntéza, respirace)
fotosyntéza vs. respirace
spotřeba O2 ve vodě - rozklad org. látek na CO2 a H2O
- nitrifikace
spotřeba O2 sedimenty
uplatnění procesů - rozdíl den x noc
ortográdní
pozitivní
heterográdní
klinográdní
negativní
heterográdní
Roční průběh tepoty a koncentrace kyslíku v oligotrofním a
eutrofním jezeře
jarní míchání
letní stratifikace
podzimní míchání
oligotrofní jezero
eutrofní jezero
zimní stratifikace
Deficit kyslíku
vznik deficitu - poměr trofogenní a trofolytické zóny