LIMNOLOGIE Evžen Stuchlík, Zuzana Hořická, ÚŽP PřF UK 31.10.2013

plyny rozpuštěné ve vodě Sluneční záření, světelné klima a tepelný režim vod, plyny rozpuštěné ve vodě - kyslík

FAR (fotosynteticky aktivní záření) : 380 – 710 nm 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

pronikajícího pod vodní hladinu 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

pronikajícího pod vodní hladinu 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 720 nm Orange 620 nm Yellow 560 nm Green 510 nm Blue 460 nm Violet 390 nm Ve vodních nádržích nejhlouběji proniká zelená složka záření a modrá složka se zachycuje v povrchové vrstvě v důsledku přítomnosti rozpuštěných organických látek

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

- měřením světla ve vodním sloupci pyranometrem, fotometrem 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 jarní míchání B začátek letní stratifikace C vrchol letní stratifikace D podzimní míchání E 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

Rozpustnost plynů ve vodě 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 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

klinográdní ortográdní negativní heterográdní pozitivní heterográdní

Roční průběh tepoty a koncentrace kyslíku v oligotrofním a eutrofním jezeře jarní míchání letní stratifikace podzimní míchání zimní stratifikace oligotrofní jezero eutrofní jezero

Deficit kyslíku vznik deficitu - poměr trofogenní a trofolytické zóny