Obecná limnologie - 4 Světlo Plyny ve vodě – O2, CO2

Prezentace na téma: "Obecná limnologie - 4 Světlo Plyny ve vodě – O2, CO2"— Transkript prezentace:

1 Obecná limnologie - 4 Světlo Plyny ve vodě – O2, CO2 Oxidačně redukční potenciál

2 Světlo různá intenzita v zeměpisných šířkách
vytváří teplotní gradient na Zemi - rozdíly ve srážkách - pohyby vzduchu – pohyby jezer - stratifikace

3 Rozlišení dle vlnových délek
PAR – photosyntetically available radiation

4 Nezbytné připomenutí z fyziky
záření vlna x kvantum  E h – Planckova konst. J E=h =c/ c – rychlost světla cm s-1 E=hc/ čím větší  tím nižší E

5 Jednotky 1 mol = fotonů (Avogadrova konst.) Kalff - chyba

6 Světlo v atmosféře O3, O2, CO2, H2O „aktivní plyny“
účinek pro specifické  po odrazu

7 QB = Qs + QH + QA – QR - Qu - QW QB = QA - QW
Bilance záření den noc QB = Qs + QH + QA – QR - Qu - QW QB = QA - QW Qs – přímé sluneční záření QH – nepřímé sluneční záření – odražené, rozptýlené QA – dlouhovlnné tepelné záření QR – záření odražené od hladiny Qu – rozptýlené a ztracené záření QW – vyzařované teplo tepelná bilance - jezera mělká / hluboká - tropy / temperátní pásmo

8 albedo – odraz – úhel záření – sníh – led
Světlo ve vodě albedo – odraz – úhel záření – sníh – led přímé záření difúzní záření

9 IZ = I0 e-kwz + I0 e-kpz + I0 e-kcz
Světlo ve vodě absorpce 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

10 Transmitance v destilované vodě
Red 720 nm Orange 620 nm Yellow 560 nm Green 510 nm Blue 460 nm Violet 390 nm

11 UV záření UV A – 40 – 280 nm - malé množství, nebezpečné
UV B – 280 – 320 nm – změny DNA, nebezpečné UV C – 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 pro mikroorganismy dlouhodobé změny klimatu ozónová díra – malý efekt vs. odtokové poměry, Q, doba zdržení, kyselé deště (vymývání DOC)

12 Světlo a fotosyntéza v jezeře/nádrži – vrstva eufotická, trofogenní P>R afotická, trofolytická P<R kompenzační bod – P~R tloušťka eufotické vrstvy – zeu ~ 1% I0 zeu = (ln 100 – ln 1)/k = 4.6/k k = ??

13 měření světla - pyranometr
k = ?? měření světla - pyranometr měření průhlednosti – Secchi disk ?? k=1.7/zSD ?? 30. léta 20. stol., moře 90. léta 20. stol rozsah konverzního faktoru 0.5 – 3.8 podhodnocuje v barevných vodách – huminové látky - nadhodnocuje v zakalených vodách

14 zSD ~ 10% I0 ?? k * zSD = 1.7 ??

15 Eufotická vrstva vs. epilimnion

16 Světlo vs. ryby reakční vzdálenost – nelineární snižování s úbytkem světla kritické – 0.04% I0 světlo potřebné pro ryby nebo zooplankton pro orientaci je o několik řádů nižší než světlo potřebné pro fotosyntézu

17 … fyziologická přestávka 15 min. …

18 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)

19 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%) 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

20 Nasycení, přesycení, podsycení

21 reaerace – po koncentračním gradientu, koef. přestupu
Kyslík koncentrace ve vodě je výsledek metabolických procesů (fotosyntéza, respirace) a výměnou s atmosférou reaerace – po koncentračním gradientu, koef. přestupu fotosyntéza vs. respirace spotřeba O2 ve vodě - rozklad org. látek na CO2 a H2O - nitrifikace spotřeba O2 sedimenty uplatnění procesů - rozdíl den x noc

22 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

23 klinográdní ortográdní negatnivní heterográdní pozitivní heterográdní

24 Roční průběh tepoty a koncentrace kyslíku

25 Deficit kyslíku vznik deficitu - poměr trofogenní a trofolytické zóny

26 Hodnocení deficitu kyslíku
Aktuální kyslíkový deficit - rozdíl mezi saturační hodnotou při aktuální teplotě u hladiny a hodnotou v hypolimniu. Absolutní kyslíkový deficit - rozdíl vzhledem k saturační hodnotě při 4°C (teplota jarního míchání) Relativní kyslíkový deficit - rozdíl k naměřené hodnotě při jarní cirkulaci. Anoxický plošný faktor AAF AAF = (trvání anoxie × plocha anoxických sedimentů)/A0 kde A0 je plocha hladiny Anoxický objemový faktor AVF AVF = (trvání anoxie × objem anoxické vody)/V0 kde V0 je celkový objem vodního tělesa

27 CO2, HCO3-, CO32- - uhličitanový systém
Zásadní význam pufr proti náhlé změně pH určuje množství anorg. C pro fotosyntézu vazebná kapacita HCO3- a CO32- pro kationty - srážení CaCO3

28 Jak funguje uhličitanová rovnováha? Spolehlivě!
rozpouštění CO2 ze vzduchu reakce s vodou disociace kyseliny disociační konst. 1. řádu druhá disociace disociační konst. 2. řádu

29 Jak funguje uhličitanová rovnováha? Spolehlivě!
opakem disociace je hydrolýza

30 Uzavřený systém

31 Jak funguje uhličitanová rovnováha? Spolehlivě!
Reakce na „narušitele“ … na - výměnu CO2 s atmosférou - fotosyntetická činnost - dotace CO2 z rozkladných procesů změny pH a alkality - CO2 ze sedimentů – roste alkalita, klesá pH bez DIC - roste pH, roste alkalita - redukce NO3-, SO42- srážení CaCO3 - nízký součin rozpustnosti, klesá s rostoucí teplotou - pH >~8.5, vysoká alkalita

32 Alkalita KNK4.5 (ANC) – množství kyseliny potřebné k neutralizaci všech HCO3- , CO32- a OH- iontů jednotka - meq l-1

33 Alkalita vs. tvrdost Tvrdost - souhrn solí kovů alkalických zemin s uhličitany, sírany, chloridy, apod. jednotky

34 Oxidačně – redukční potenciál
děje nelze striktně odlišit závislé na pH