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
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