БИОфизика ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ2 (9.3Mб, ppt)

Download Report

Transcript БИОфизика ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ2 (9.3Mб, ppt)

БИОфизика ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

Задереев Егор Сергеевич

Ведущий научный сотрудник ИБФ СО РАН канд.биол.наук Тел. 249-43-58 Эл.почта

[email protected]

Некоторые «аномальные» свойства воды

• •

высокая теплоемкость высокое поверхностное натяжение

растворитель

• •

практически универсальный точки замерзания и кипения «слишком высоки» «аномальная» зависимость плотности воды от температуры

Физико-химические условия среды обитания и ограничения, накладываемые ими, на функционирование водных экосистем.

• Проникновение света сквозь водную толщу (спектральные зависимости, связь с продуктивностью водных экосистем); • Стратификация водных экосистем (роль температуры и солености)

Проникновение света сквозь водную толщу

Спектр солнечной радиации

Видимый диапазон для человека (примерно 400-800 нм)

Фотосинтет ически активная радиация (PAR) - 360 700 nm.

Количество солнечной радиации достигающей поверхности водоема зависит от:

Широты

суток)

Положения солнца (сезона и времени Высоты водоема

Метеорологических условий (ветер и волны, лед) и прозрачности атмосферы (туман, дым, пыль)

10

Облачность в районе озера Шира 2003 2008

10 0 0

0 – ясное небо, 1, 2, ……. 9, 10 – облачное небо

Влияние облачности на поверхностную освещенность Standard Clear sky Cloudy

200 150 100 50 0 1… 15… 1… 15… 1… 15… 31…

Судьба солнечной радиации в воде:

Отражение

Угол солнца (градусов) Отражательная способность(%) 90 2 80 2.1

70 60 2.1

2.1

50 2.5

40 3.4

30 20 10 6.0 13.4 34.8 100 •

Преломление Закон преломления : sin a/sin b = n2/n1 a = угол падения, b = угол преломления n2,1 = коэффициенты преломления сред (для воды-1.333, воздуха-1)

0 •

Прохождение и Ослабление (Рассеивание + Абсорбция)

Ослабление света с глубиной может быть описано как (Бугер, Ламберт, Бер): I Z = I 0 e -

Z I I

Z 0 = интенсивность света на глубине Z = интенсивность света на поверхности = коэффициент поглощения для воды

Ослабление света при прохождении через воду вызвано:

• •

Поглощением тепло или химическую энергию фотосинтезом) Рассеиванием (энергия конвертируется в (изменяет направление движения) Поглощение и рассеивание света происходит из-за взаимодействия с водой, взвешенным в воде веществом или растворенными солями.

Вода кажется голубой или зелено голубой потому что остальные длины волн быстро поглощаются

Электромагнитный спектр меняется с глубиной так как вода поглощает излучение разных длин волн по разному:

Вода в различных озерах имеет различную прозрачность Прозрачность воды зависит от:

Длины волны

• •

Взвешенного вещества Растворенного вещества Поэтому различные озера имеют различные характеристики по поглощению света

=

воды +

растворенных веществ

взвешенного вещества +

• 

воды - для чистой воды доминирует абсорбция длинных волн (>550 nm; красный и инфракрасный) - рассеивание коротких волн (<380 nm), рассеивание пропорционально 1/

4 - чистая вода не поглощает ультрафиолет (только рассеивает) - растворенные соли не увеличивают ослабление света

=

воды +

растворенных веществ

взвешенного вещества +

• 

растворенных веществ - растворенные органические вещества – гуминовые кислоты - поглощают на коротких волнах – синий и ультрафиолетовый (<500 nm)

=

воды +

растворенных веществ

взвешенного вещества +

• 

взвешенного вещества - поглощает равномерно по всему спектру - часто большую роль играет фитопланктон - детрит может иметь более высокое поглощение в синей части спектра

Разные озера с разным количеством растворенных веществ Чистый пруд Доминирует поглощение красного света водой Грязный пруд Доминирует поглощение голубого света растворенной органикой

Определение прозрачности

Диск Секки (белый диск диаметром 20см) - оценивает глубину на которой происходит поглощение 95% падающего света, может быть от <5 см до>40 м) ФАР, мкМоль/м 2 с 0 1000 2000 0

Датчики PAR (возможны и для других диапазонов) измеряют свет в фотонах или калориях.

4 8 12 16 20

Kelimutu, Three colored Lakes, Flores, Indonesia

The Spotted Lake (Klikuk), British Columbia, Canada

Lake Retba, Senegal

Фотическая зона

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что 1% падающего света минимальное количество необходимое для фотосинтеза. Граница фотической зоны озера – глубина до которой проходит 1% падающего света (обычно равна 2X дискам Секки).

Глубина фотической зоны – зависит от всего того о чем говорили…… Важна для метаболизма экосистемы…..

Ослабление света происходит быстрее в эфтрофных (продуктивных) водоемах.

Больше органических и минеральных веществ = активнее развитие фитопланктона = больше рассеивание и поглощение света = меньше возможности для роста фитопланктона, но больше зоопланктона = выедание фитопланктона…….

Беднее озеро = прозрачнее вода = больше света для роста фитопланктона, но нет ресурсов….

Стратификация водных экосистем

Три важных физических факта необходимых для формирования стратификации

1. Теплоемкость

Теплоемкость – количество тепла требуемое для того чтобы нагреть 1 г вещества на 1 ° C.

У воды очень высокая теплоемкость – температура изменяется медленно когда тепло добавляют или забирают.

2. Плотность воды и температура

Максимальная плотность воды при t=3.98

0 С

Зависимость плотности воды от температуры не линейная На зависимость плотности от температуры влияют:

• •

растворенные соли – рост плотности с ростом концентрации соли взвешенные вещества

растворенные газы

давление – рост давления уменьшает температуру максимальной плотности

При остывании воды до 4°C замедляется вибрация молекул воды и она становится плотнее.

Ниже 4°C угол между двумя молекула водорода изменяется от 105 до 109 градусов. Вода начинает расширяться.

Когда вода замерзает она резко расширяется, так как в твердом состоянии в твердой решетке 24 молекулы воды занимают столько же места, столько 27 молекул в жидком состоянии. В кристаллическом состоянии объем увеличивается на 9%.

4 о С 1000 кг/м 3 Температура Плотность 20 о С 998 кг/м 3

3. Поглощение водой света

Инфракрасное излучение (длина волны >700 nm) = тепло

Вода избирательно поглощает в инфракрасном диапазоне: - на длине волны 820 nm 91% поглощается в 1 метре - 99% поглощается в 2 метрах

Стратификация

• Разделение толщи воды на слои разной плотности (бывает вызвано температурой или соленостью) • Стратификация влияет на биогеохимические и экологические процессы • Озера в которых температура распределена равномерно называются изотермальными • Температурная стратификация делит озеро на три зоны

Многие озера стратифицированы в течении определенного периода времени Эпилимнион Металимнион Гиполимнион

Стратифицированное озеро

Определяется как зона где изменение температуры не менее 1 0 С/м

Почему происходит стратификация озера?

(1) Плотность воды зависит от температуры не линейно

А) Менее плотная вода «плавает» на более плотной Б) Разница в плотности у теплой воды на градус температуры намного выше, чем для холодной

(2) Действие ветра

Молекулярная диффузия тепла происходит медленно Для попадания тепла в более глубокие слои необходимо действие ветра

(3) Тепло приходит и уходит из озера в основном с поверхности

Как озера стратифицируются?

Весна

Нет разницы плотности, нет противодействия перемешиванию, тепло поглощаемое на поверхности распределяется равномерно, так называемое весеннее перемешивание. В зависимости от глубины озера и условий может подниматься выше 10 0 С.

Как озера стратифицируются?

Лето Увеличение падающего и поглощаемого водой тепла приводит к росту температуры в верхних слоях (нагревается быстрее, чем перемешивается). Появляется сопротивление к перемешиванию. Теперь гиполимнион будет иметь практически одну и ту же температуру все лето.

Как озера стратифицируются?

Осень

Температура падает, происходит выравнивание и затем перемешивание = насыщение кислородом нижних слоев и возврат вещества в верхние.

Как озера стратифицируются?

Зима Температура воды на поверхности падает ниже 4 0 С и она «плавает» на более плотной теплой воде. Нет перемешивания из-за льда. Обратная стратификация

Годичный температурный цикл стратифицированного озера

Годичный температурный цикл стратифицированного озера

Почему зимой не замерзает Енисей?

4-10 о С круглый год

Водохранилище

Зимой – надо остыть!

Летом – надо нагреться!

Енисей

Режимы перемешивания зависят от:

Морфометрии

Географии

Качества воды

Погоды

Плотность воды зависит не только от температуры!

На зависимость плотности от температуры влияют:

 

растворенные соли – рост плотности с ростом концентрации соли взвешенные вещества

растворенные газы

давление – рост давления уменьшает температуру максимальной плотности

В итоге в соленых озерах все гораздо сложнее…..

http://www.lakeaccess.org/ecology/lakeecologyprim4.html

Термоклин Хемоклин – скачок солености

Механизмы формирования меромиктического состояния 1. Поступление пресной воды на поверхность соленого водоема 2. Биогеохимические процессы в толще воды 3. Поступление более соленых грунтовых вод

Основные режимы перемешивания озер 1. Амиктичные – никогда не перемешиваются потому что озеро покрыто льдом. В Антарктиде или высокогорье.

2. Голомиктичные – перемешиваются (от поверхности до дна) 3. Мономиктичные (димиктичные, полимиктичные) – перемешиваются определенное число раз в течении года 3. Меромиктичные — не перемешиваются полностью длительное время из-за присутствия соли в гиполимнионе

“мелкое” или “глубокое” озеро?

Под глубоким обычно понимают озеро которое бывает стратифицированным - определяется глубиной, площадью озера и другими факторами (способностью ветра перемешать его).

Способность ветра перемешивать озеро зависит от его линейных размеров. Форма озера влияет на температуру воды и волновые условия. Фетч (the fetch) максимальное расстояние доступное для действия ветра (длина озера). Длина озера доступная для ветра обычно определяет максимальный размер волн и глубину перемешивания.

1 2 3 4 0 0 Temperature (C) 10 20 30 Temperature (C) 8 10 12 0 2 4 6 0 10 20 30

Озеро Шира Озеро Шунет

Озеро Шира

глубина – 24 м

Максимальная Размеры 9.3*5.3 км

Sal

0 9 10 Март 11 12 13 6 12

Лед

12 6

Солнце Пресная вода

0 9 10 Май 11 12 13 0 9

Солнце Ветер

10 Июль 11 12 13 0 9 10 Октябрь 11 12 13 6 6 12 12 18 18 18 18

t, о С

24 -2 -1 0 0 1 2 24 24 24 0 0 5 10 15 20 0 0 6 12 18 24 0 0 5 10 15 6 6 6 6 12 12 12 12 18 18 18 18 24 24 24 24

12 6 0 9

Озеро Шира

Соленость, г/л 10 11 12 13 0 0 Концентрация кислорода, мг/л 4 8 12 16 6 Март Май Июль Октябрь 12 18 18 24 24

Здесь вода никогда почти перемешивается

Озеро Шунет

http://www.panoramio.com/photo/19649818 

Максимальная глубина – 6 м

Размеры 1.2*0.4 км

4 5 6 0 0 1 2 3 Соленость, ppt

Озеро Шунет

Концентрация кислорода, % 20 40 60 60 Март Июль Октябрь 4 5 6 0 0 1 2 3 120

Здесь вода никогда не перемешивается

О 2

Озеро Шира

t = 20–24 ° C Salinity 14–15 g L -1

Термоклин

t = 4 – 20 ° C t = 2–4 ° C Н 2 S

Хемоклин

t = 1–2 ° C H 2 S ca. 0.6 mM Salinity 18–19 g L -1 O 2

Озеро Шунет

t = 20–24 ° C Salinity 17–20 g L -1 H 2 S

Хемоклин

t = 6–10 ° C H 2 S ca. 14 mM Salinity up to 66 g L -1

Озеро Ниос

Глубина - 209 м, длина 1400 м, ширина - 900 м.

21 августа 1986 года Лимнологическая катастрофа

1700 человек

Стратификация и качество воды

 Толща воды в соленых озерах может быть стратифицирована из-за градиента солености  Аноксигенные условия приводят к процессам микробного образования и накопления токсичных газов (H 2 S, NH 3 )  В меромиктичном и глубоком озере так же могут накаливаться такие газы как CO толщи 2 and CH 4 , которые могут внезапно выйти наружу в случае нарушения стабильности водной  Это может быть опасно для людей и животных вокруг озера