Ö Ö kol kol ó ó gia gia é é s s Biogeogr Biogeogr á á fia fia I. I. Hidrobiol Hidrobiol ó ó gia, 2008 gia, 2008 Tematika: Tematika: • • Bevezet Bevezet é é s, a ~ t s, a ~ t á á rgya, a t rgya, a t ó ó - - v v í í zgy zgy ű ű jt jt ő ő ter ter ü ü let kapcsolata, a v let kapcsolata, a v í í z legfontosabb z legfontosabb fizikai fizikai é é s k s k é é miai tulajdons miai tulajdons á á gai; gai; • • Tavak Tavak keletkez keletkez é é se, szukcesszi se, szukcesszi ó ó ja, r ja, r é é tegzetts tegzetts é é ge; ge; • • É É lett lett á á jak jak é é s s é é l l ő ő l l é é nyt nyt á á rsul rsul á á sok sok á á ll ll ó ó - - é é s s á á raml raml ó ó vizekben vizekben ; ; • • A v A v í í zi anyagforgalom zi anyagforgalom egyes saj egyes saj á á toss toss á á gai; gai; Oktató: Török Júlia, [email protected]Állatrendszertani és Ökológiai Tanszék, D. épület 7.611, /8762
80
Embed
Ökológia és Biogeográfia I. Hidrobiológia, 2008torokjul.web.elte.hu/hidrobi_BSc_2008_1.pdf · A víz fizikai tulajdonságai sűrűség: a tiszta víz legnagyobb sűrűsége:
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
ÖÖkolkolóógia gia éés s BiogeogrBiogeográáfiafia I.I.
HidrobiolHidrobiolóógia, 2008gia, 2008
Tematika:Tematika:
•• BevezetBevezetéés, a ~ ts, a ~ táárgya, a trgya, a tóó -- vvíízgyzgyűűjtjtőőterterüület kapcsolata, a vlet kapcsolata, a vííz legfontosabb z legfontosabb fizikai fizikai éés ks kéémiai tulajdonsmiai tulajdonsáágai; gai;
Hidrobiológia mint szubdiszciplina elkülönülése az ökológián belül:az életfeltételek és források (és ezek vizsgálati körülményeinek) speciális jellege miatt alakult ki
Életfeltételek:
a vízi élőlényektől független, általuk befolyásolhatatlan tényezők
(víz fizikai tulajdonságai, pH*, meder adottságok, napsugárzás a vízfelszínig)
Források:
a vízi élőlények befolyásolják elérhetőségüket,
(fény, kémiai tulajdonságok egy része: pl. oldott O2 tartalom, tápanyagok, táplálékszervezetek)
Limitálnak, befolyásolják az élőlények abundanciáját, elterjedését
A hidrobiológia tárgya a vízi élőlények és ökoszisztámák tanulmányozása
Limnológia („tótan”):
1. tavak, tágabb értelemben kontinentális vizek (belvizek) tanulmányozása
2. „limnobiológia”: állóvízi élőlények és ökoszisztémák tana
Rheobiológia: áramlóvízi élőlények és ökoszisztémák tana
Talasszobiológia: tengeri élőlények és ökoszisztémák tana
A kezdeti vizsgálódásokat az alábbi megfontolások vezették:
A tavak: könnyen tanulmányozható rendszerek:1. Jól elhatárolódnak a fizikai környezettől, 2. Jól nyomonkövethetők az anyagáramlási útvonalak3. Termelők: fitoplankton4. Állatok: hálóval kigyűjthetők5. Rövid generációs idő, több generáció könnyen tanulmányozható6. Tápanyagok: oldatban, könnyen mérhetők7. Tó-történet: az üledékben felhalmozódó fosszíliák alapján nyomonkövethető
(paleolimnológia)
Mai nézet: a tó, mint ökoszisztéma nem vizsgálható a vízgyűjtőjétől függetlenül!
Teljes vízkészlet 1,386,000,000 -- 100%forrás: Gleick, P. H., 1996: Water resources. In Encyclopedia of Climate and Weather, ed. by S. H. Schneider, Oxford University Press, New York, vol. 2, pp.817-823.
Vízgyűjtő terület
az adott víztestbe (tóba, folyóba) ömlő vízfolyások és a szárazföldi területek összessége
tó: tükrözi a vízgyűjtő terület méretét, topográfiáját, földtanát, használatát, a talaj minőségét és a vegetációt egyaránt
Jelentősége a tápanyagterhelésben nyilvánul meg szembetűnően
vízgyűjtő / tó területe
tápa
nyag
bevi
tel
minél nagyobb a vízgyűjtő, a víz szervesanyag terhelése annál magasabb
Szárazföldi szervesanyagprodukcióból (PS) származó oldott és partikuláris szervesanyag(DOM, POM) áramlása a felszíni és a felszínalatti vizekben a tó felé a nagy produktivitású wetland és litorális területeken keresztül
A nettó produktivitás (milliót/ha/év) összehasonlítóábrázolása ! !
A víz fizikai tulajdonságai
dipólus molekula, a 4 szomszédjához H-kötéssel kapcsolódik
A víz legfontosabb fizikai tulajdonságai: fajhő és sűrűség
fajhő: az az energiamennyiség, ami egységnyi mennyiségű víz 1ºC-kal történő emeléséhez szükséges;a víz fajhője a legmagasabb: 1cal/g/ºC (folyékony H, He, Li: szinténmagas), ennek következtében a víz hőklímája sokkal stabilabb, mint a szárazföldi környezeté;a tavak jelentős mennyiségű hőt tárolhatnak és lassan adják le azt;ha nagy a tó, ezáltal a környező szf. éghajlatát befolyásolja (téli-nyárihőingás kisebb)hatékony puffer a környezet hőmérsékletváltozásaival szemben;(élőlények testének víztartalma és a környezet víztartalma)
1,000
sűrű
ség (
g/cm3 )
-5 0 5 10 15 20 25
4°C
T (°C)
Sűrűség g/cm3 Fajlagos térfogat kg/l
Jég 0 °C-on 0,91860
0,99987
1,00000
0,99999
0,99973
0,99913
0,99823
0,99707
0,99568
0,99568
1,08865
Víz 0 °C-on 1,00013
Víz 4 °C-on 1,00000
Víz 5 °C-on 1,00001
Víz 10°C-on 1,00027
Víz 15°C-on 1,00087
Víz 20°C-on 1,00138
Víz 25°C-on 1,00177
Víz 30°C-on 1,00293
Víz 35°C-on 1,00434
A víz fizikai tulajdonságai
Sűrűség-anomália:
Legnagyobb sűrűsége nem a fagyásponton van
aggregátumok
A víz fizikai tulajdonságai
sűrűség: a tiszta víz legnagyobb sűrűsége: 1.000 g/cm3 3.94 ºC-on sűrűség és hőmérséklet között nemlineáris összefüggés tapasztalható;tiszta víz: 0.99987 g/cm3 0ºC-ontiszta jég: 0.9168 g/cm3 0ºC-on
4 ºC-on: ha a hőmérséklet nő, a sűrűség csökken, ha hűl, akkor is
jelentőség: tavak fagymentes környezete:
pl. hőmérséklet 10 ºC-ról 4 ºC-ra csökken: a felszíni víz lefelé áramlik, ezáltal konvekciós keveredés jön létre amíg a hőmérséklet különbség kinem egyenlítődik
ha 4ºC alá hűl a víz, a sűrűsége csökken, megszűnik a keveredés és a felszín alatti mélyebb vízrétegek később fagynak meg
ha a felszín 0 ºC-ra hűl, a víz megfagy, a jég sűrűsége 8%-a a vízének
tehát a felszínen marad, tovább késlelteti az alsó vízrétegek befagyását
a közepes mélységű tavakban az alsóbb vízrétegek nem fagynak be, azélővilág átvészeli a leghidegebb teleket is
Viszkozitás (dinamikus viszkozitás): a vízmolekulák kölcsönös vonzása révén fellépő súrlódás ellenállást fejt ki a mozgásra
azt fejezi ki, milyen „hatékonysággal” mozoghat egy adott térfogatnyi vízrész a körülvevő víztérhez képest
egy élőlény úszása során a vízben való haladáshoz kisebb energiára van szüksége meleg vízben (4˚C fölött csökkenő sűrűség, csökkenő dinamikus viszkozitás), mint hidegebb vízben
Jelentőség: úszás, lebegés során
A víz fizikai tulajdonságai
viszkozitás: a hőmérséklet növekedésével csökken; duplájára nő amikor a vízhőmérséklet 25 º C-ról 0º C-ra csökken;
víz: levegőhöz képest magas viszkozitás, az élőlényeknek nagyobbközegellenállást kell leküzdeniük, mint levegő közegben (pl. 10 ºC-on közel 100-szoros a különbség)
kisméretű élőlények: ha egy mozgó ostoros egysejtű az ostormozgástabbahagyja, ezredmásodperc alatt megáll, míg egy úszó ember az utolsókarcsapás után még siklik a vízben
Reynolds-féle szám:
a vízáramlás egy csőben lamináris vagy turbulens
Re= (pDv)/µ p: sűrűség, D cső átmérője (az a vízoszlop, amiben pl. az élőlény
süllyed) , v: sebesség, µ: viszkozitás
kisméretű élőlények: alacsony Re, mozgás kivitelezése nehéz
pl. kandicsrákok táplálékszerzése
A víz fizikai tulajdonságai
Re < 1000 a vízáramlás lamináris
Re > 1000 a vízáramlás turbulens
a planktonikus élőlények kis Reynolds szám mellett élnek, más a mozgás, a táplálékszerzés, menekülés
algák: legtöbb mozdulatlan, passzívan lebeg, sűrűség: 1,01-1,03-szorosa a vízének, süllyednek
előnye: passzívan jutnak tápanyagban gazdag környezetbe
hátránya: kikerülnek az eufotikus zónából, ezt azonban a természetes vizekbenjellemző turbulens áramlások gyakran megakadályozzák
valószínűleg adaptív a süllyedés, mert nagyobb fitness-t biztosít, ha lassúsüllyedés közben tápanyaghoz jut és szaporodik, mint amennyit veszít azzal, hogy kikerül a fotikus zónából
vízörvényt keltenek,táplálékot magukhoz sodorják Pl. gallérosostorosok
A víz fizikai tulajdonságai
süllyedés: gömbölyű test süllyedése a sugár négyzetének függvénye (Stokes-törvény): v = 2gr2 (p1-p2)
9 µ
a mikroszkopikus szervezetek süllyedése igen lassú, óránként néhány mmsebességét az élőlény formája is befolyásolja (hosszú nyúlványok)
v: sebesség, g: gravitációs gyorsulás, r: a gömb sugara, p1, p2: a süllyedő test és a közeg sűrűsége, µ: viszkozitás
Passzívan lebegő szervezetek
gázvacuolákkal lebegőházas amőba (Arcella)
Pediastrum
hosszú nyúlványokkal (tengelylábak) lebegő napállatka (Actinophrys)
egy járommoszat (Closterium)
A víz fizikai tulajdonságai
felületi feszültség: a hidrogénkötések rendszere a felszín menténgyengébb mert felfelé nem alakulhatnak ki kötések, ezáltal a vízmolekulákbefelé adhéziót mutatnak;
a hőmérséklet, sótartalom, szervesanyag tartalom növekedésével csökken;
utóbbi kettőért gyakran az algák felelősek
Víz-levegő határfelület
Neuszton és pleuszton kialakulása
vízi ugróvillások
besugárzás:napenergia kémiai energiává alakítása, a hőként abszorbeált napsugárzás hat a hőmérsékleti viszonyokra, hőrétegződésre és a hőcirkulációra
elektromágneses spektrum:a fény kvantumokban - fotonok - érkezik, jellemzői: hullámhossz és amplitúdó
spektrum: rövid hullámhosszú, gamma sugarak (100 nm), - alacsony energiájú rádióhullámok (> 3000 nm); a látható fény tartománya: 400nm (ibolya) - 750nm (vörös)
a fotoszintézishez szükséges spektrum: 400-750nm, a klorofill-a elnyelése: két csúcs: 445nm és 660nm
A fény
A fény
A fény sorsa:
visszaverődés (5-6% veszteség)
szóródás (vízmolekulák és oldott anyagok hatása) az abszorbeált fény25%-a is szóródhat
abszorbció: a beeső fény legnagyobb része, a víz hőmérsékletét növeli
a fényelnyelés mértéke a mélységgel exponenciálisan változik(Lambert-Beer törvény):
Iz = Ioe-nz, ln Io - ln Iz = nz
n: extinkciós koefficiensIz: besugárzás z mélységbenIo: besugárzás a felszínen
átlátszóság:az a mélység, ameddig a látható fény elér:mérési lehetőségek:
vízalatti fotométerrelspektroradiométerrelSecchi koronggal (Zsd): 20 cm átmérőjű fémkorong, négy negyedre osztva, átellenben két mező fekete, kettő fehér
Secchi-mélység (átlátszóság): az az átlagos távolság, ahol a ~ eltűnik amikora csónak árnyékos oldaláról figyelik ill. ahol ismét feltűnik, általában a felszínifféényny 10%10%--áánaknak felel megjjéégmentesgmentes ididőőszakbanszakban erősen függ az n extinkciós koefficienstől (Lambert-Beer ttöörvrvéényny):):
n (m-1) = 1,7/zsd, tavakban n (m-1) = 1,45/zsd, óceánokban
Secchi-korong
A fény
A fény
Az átlátszóság függ
a víz abszorbciós tulajdonságaitól,
az oldott szervesanyagtól (dissolved organic matter, DOM)
erősen turbid vízben néhány cm, nagyon tiszta vízben >40m
szezonális alakulása függ a fitoplankton abundanciától
és a szervetlen anyagok részecske mennyiségétől
A fény
A fény zonációja a tavakban:
a fotoszintézisben játszott alapvető szerepe miatt vertikális és horizontális eloszlását érdemes áttekinteni
fotikus v. eufotikus övezet: a felszíntől addig a mélységig, ahol a fénymennyiség az eredeti beeső fénynek az 1%-ára csökken; ez a nappali nettó O2 termelés zónája (fotoszintézis), éjszaka O2 csökkenés a lebontófolyamatokkal járó légzés következtében
afotikus zóna: a fotikus övezet alsó határától az alzatig húzódik; a fény túl kevés a fotoszintézishez; a légzés dominál a produkcióhoz képest, O2 felhasználás történik
A fé
nyin
tenz
itás
és a
foto
szin
tézi
s rá
ta a
laku
lása
a v
ízm
élys
égge
l
A fény
a fotikus zóna alsó határa napi és szezonális ingadozást mutat, és összefügg a fényintenzitással és a víz átlátszóságával
kompenzációs mélység: ahol a beeső fény 1%-ra csökken, fotoszintézis = légzés
oligotróf, ill. nem produktív tavak: a fotikus zóna 20-25m mély,
eutróf tavak: <1m; a beeső fény 10%-ra való csökkenése már limitálja a fotoszintézist, tehát az effektív határa a fotikus zónának még feljebb van
a fény már akkor limitáló lehet a fitoplankton számára, ha a felszíni besugárzás 10%-ánál kevesebb ér adott vízrétegbe (tehát akár a kompenzációs mélység fölött)
A víz színeSzín oka: 1. kék égbolt visszaverődő fénye, 2. zömében: szelektív fény
abszorbció
• minél vastagabb a víz réteg, annál mélyebb kék
• nagyobb mélységbe is a kék fény juthat le
• mély vízből csak a kék fény juthat szóródással a felszín felé
• legnagyobb szóródást a kék fény mutatja
A vízben lebegő ásványi és szerves szemcsék egyrészt felületükkel szórják a fényt, másrészt saját színük is lehet, e két tényezőegyüttese eredményezi a víz változatos színét.
forrás: internet, KFKI
Tisz
a
Maros
Tisz
a
Bodrog
Lagoa Verde („Zöld tó”) Lagoa Azul („Kék tó”)
Sete Cidades, Sao Miguel sziget (Azori-szigetek): vulkáni kráter közepén két tó
víz összes sótartalom:
Koncentráció (mg/l)
Elektromos vezetőképesség (EC, µS•cm-1 ):
adott hőmérsékleten mért elektromos ellenállás reciproka
a víz ionos összetevőinek (ionok és szerves savak) mennyiségét fejezi ki
természetes vizekben a főbb
kationok: Ca2+, Mg2+, Na+, K+ (csökkenő sorrend)
anionok: HCO3-, SO4
-2, Cl- (csökkenő sorrend)
Szalinitás: Σ össz-iontartalom (g/l), %o
Kicsapódás: ha egy só ionjai az oldhatósági szorzatot meghaladó koncentrációban vannak jelenKicsapódási sorrend kálciumban gazdag vízből: CaCO3, CaMg(CO3)2), CaSO4 x 2H2O …
kiszáradó szikes tó
A víz kémiai tulajdonságai
Szikes tavak:
NaHCO3
Sziksós tavak: Na2CO3
uralkodó
Fertő-tóKözép-Európa legnagyobb
szikes tava
Szelidi-tó 1460-4100
Szegedi Fehér-tó 2000-4000
Velencei-tó 800-1800Tihanyi Belső-tó 1000
Tatai Öreg-tó 540-700
Balaton 500
Hámori-tó 350
Duna 250-400
Tisza 350
Hazai vizek össz-sótartalma (mg/l)
össz-sótartalom (mg/l)
édesvizek 50-500
kontinentális sós tavak < 20000
Tengervíz 35000
alpesi tavak 100-200
skandináv tavak 50
Ionösszetétel (főbb komponensek):
Na+: Mg2+: Ca 2+ : K+ = 51:39:7:3
HCO3-: SO4
2-: Cl- = 24:10:18. Felföldy: A vizek környezettana
A víz kémiai tulajdonságai
A 8 legfontosabb ion (K+, Na+, Ca2+ , Mg 2+, SO42-, Cl- , HCO3
-, CO2-) mennyiségének grafikus ábrázolása százalékos egyenérték alapján
Maucha-féle csillagdiagram: két víztest ionösszetételbeli különbségének szemléletes, gyors összehasonlítására
a körcikk széle az ionok elméleti egyenlő koncentrációját jelzi
anionok kationok
A víz kémiai tulajdonságai
A víz kémiai tulajdonságai
A hőmérséklet
hő:
hőrétegzettség
vizekben a hő intenzitásának, nem pedig mennyiségének a mértéke,
kémiai és biológiai folyamatok szabályozója
a hő lehetséges forrásai:
napsugárzás
hővezetés a légkörből ill. az alzatból
vízfelszínre történő páralecsapódás
felszíni és felszínalatti befolyókból
hőveszteség:sugárzás a környezetbepárolgáselfolyó vizek
A tó és környezete közti hőkicserélődés legnagyobb része a tó felszínén történik (nappal a napsugárzás melegíti, éjjel sugárzással ad le hőt, + párolgás egész nap).
A tóba érkező napsugárzás legnagyobb része a felszín közelében hőként elnyelődik (elsősorban a spektrum hosszú hullámhossz-tartománya).
Mivel a molekulák közti diffúzió mértéke elhanyagolható, ez nem lenne elég ahhoz, hogy a mélyebb vízrétegek átmelegedjenek, így egy exponenciális csökkenésre számíthatnánk, a fényhez hasonlóan.
Miért nincs így? Ok: a víz sűrűség-anomáliája és a szél hatása.
Sűrűség-anomália: a víz legnagyobb sűrűsége eltér a fagyás/olvadásponttól.
A víz legnagyobb sűrűsége 4 fokon van, ekkor akár hűl, akár melegszik, a sűrűsége eleinte mindenképpen csökken.
A kisebb sűrűségű víz a sűrűbb rétegek felszínére kell, hogy kerüljön.
4 fok fölött a hőmérséklet növekedésével a víz sűrűsége nem lineárisan csökken!
Ha a víz 0-ról 4 fokosra melegszik, a sűrűségkülönbség 0,13g/l, 4 és 20 fok között 1,77 g/l
A sűrűségkülönbség a növekvő hőmérséklettel egyre nagyobb lesz: 24-25 fok között 30-szor akkora, mint 4-5 fok között.
1,000
sűrű
ség (
g/cm3 )
-5 0 5 10 15 20 25
4°C
T (°C)
Sűrűség g/cm3 Fajlagos térfogat kg/l
Jég 0 °C-on 0,91860
0,99987
1,00000
0,99999
0,99973
0,99913
0,99823
0,99707
0,99568
0,99568
1,08865
Víz 0 °C-on 1,00013
Víz 4 °C-on 1,00000
Víz 5 °C-on 1,00001
Víz 10°C-on 1,00027
Víz 15°C-on 1,00087
Víz 20°C-on 1,00138
Víz 25°C-on 1,00177
Víz 30°C-on 1,00293
Víz 35°C-on 1,00434
Éjjeli hőleadás során a felszínközeli vízréteg sűrűsége nő, ezért lesüllyed addig a mélységig, ahol kiegyenlítődik.
A mérsékelt övben tavasszal és ősszel 4 fokosra hűl a tavak felszíne, amelynek hatására az alzat közelében mindig 4 fok körüli a hőmérséklet.
Trópusokon soha nem hűl le a felszín 4 fokosra, ezért az alzat közelében sem lesz négy fokos a víz.
A szél örvényeket, áramlásokat kelt a víz felszínén, amely a felszíni ill. a parti sekély vízrétegek átkeveredését eredményezi. Ha a felmelegedett kisebb sűrűségű víz a felszínen úszik, azt a szél nem keverheti át egykönnyen a mélyebben fekvő, hidegebb vízrétegekkel.
Minél melegebb a felszíni víz, annál nehezebben keveredik az alsóvízréteggel. Az átmelegedés addig a mélységig következik be, ahol a szél energiája megegyezik a felmelegedett vízrétegre ható felhajtóerővel.
A meleg vízréteg egyre kevésbé tud keveredni az alatta levővel, rétege egyre stabilabb lesz az egy Celsius fokra jutó sűrűségkülönbség növekedése miatt.
Egy éles hőmérsékleti határ rajzolódik ki a felszíni meleg és az alatta húzódósűrűbb, hideg rétegek között.
Így alakul ki az ún. rétegzett tavakra jellemző hőprofil.
epilimnion – fedőréteg, meleg felső vízréteg, nagyjából azonos hőmérsékletű, alsóhatára addig terjed, amely hőmérsékletre lehűl a vízfelszín éjszaka során. Szélmentes időben különbség alakulhat ki a parti régió és a nyílt víz hőmérséklete között, amelynek kiegyenlítődése nagy jelentőségű a (planktonikus) vízi élőlények eloszlásmintázatának alakításában.
metalimnion – váltó réteg, gyors hőmérsékletváltozással jellemezhető réteg, pl. termoklin (gyakran szinonimaként használják)
hypolimnion – alsó réteg, alzat feletti, hideg vízréteg, 4°C
magasabb hőmérsékletű vizekben az 1 fokra jutó sűrűségváltozás nagyobb, mint hidegebb vizekben, ezért nagyobb energiabefektetéssel lehet összekeverni, mint alacsonyabb hőmérsékletűeket (24-25 °C-os víz összekeverése: 30x annyi energia, mint 4-5 °C-os víznél)
Tavasz: Amint a felszíni víz hőmérséklete 4 fok körüli lesz, a sűrűségkülönbség szinte eltűnik a vízmélység teljes vertikuma mentén.
Ekkor az erős szél energiája elegendő a teljes vízoszlop átkeveréséhez. A tó először teljesen homotermikus, azonos hőmérsékletű lesz.
A további napsugárzás tovább melegíti a felszíni réteget és kialakul a rétegzettség. Ez eleinte nagyon gyenge, egy kisebb szél is megszűnteti. Idővel kialakul a stabil rétegzettség, amely a nyár folyamán egyre stabilabb lesz.
Nyár:A termoklin egyre mélyebben húzódik.
Ősz:Ősszel ez utóbbi folytatódik: a vízfelszín lehűl, a megnövekedett sűrűségű víz lefelé áramlik egészen a sűrűség kiegyenlítődéséig.
Míg a szél keltette áramlások és örvények csak a felszínközeli részét érintik a vízoszlopnak, a sűrűség kiegyenlítésére induló ún. konvekciós áramlás mélyebbre lehatol (a sűrűségnek megfelelően).
Ennek következtében a hőváltóréteg a legnagyobb mélységben nem nyáron, a legmagasabb vízhőmérsékletnél van, hanem ősszel!
Késő őszre az epilimnion lehűl, a vizet a szél ismét teljesen átkeveri, ismét homotermikus lesz.Tél:Ha a tó befagy, inverz hőmérsékleti grádiens alakul ki, rétegződés nincs, szél hiányában. Elnevezés: téli stagnálás.
Trópusokon napi váltakozás van a rétegzett és a felkevert állapotok között:
Nappal rétegzett a tó, éjjel lehűl a felszíne és a szél átkeveri.
A hőháztartás alakulását befolyásolja az éghajlat, a tó mérete, kitettsége a szélnek, a befolyók.
A tavak a keveredési / cirkulációs mintázatuk alapján osztályozhatók.
Tél Nyár
Tótípusok a keveredések száma, a hőrétegzettség mértéke alapján:
holomiktikus tavak:
az éves ciklus során felszíntől a fenékig átkeveredik
keveredés gyakorisága alapján:
1. dimiktikus: évi két keveredés, egy őszi és egy tavaszi, télen a jégtakarógátolja a keveredést
epilimnionepilimnion
metalimnionmetalimnion
hypolimnionhypolimnion
Balaton (T.I.)
2. monomiktikus (egy hosszú keveredési időszak tél folyamán, soha nem teljes a jégtakaró, hideg ˝ tavak: arktikus területeken v. hegyvidéken, 4 foknál nem melegebbek, meleg ˝ tavak: 4 foknál nem hidegebbek a cirkuláció során, pl. Bodeni-tó vagy: trópusi magashegységek )
3. polimiktikus (sekély tavak, egész évben néhány naponta, v. naponta többször, vagy: trópusokon: meleg sekély tavak, soha nem hűlnek le 4 fokra )
4. amiktikus (egész évben jégtakaró, soha nem keveredik, pl. Antarktiszon biz. tavak)
5. oligomiktikus (arktikus területeken néhány évente felolvadó tavak)
Oligomiktikus tó: Toolik Lake, Alaszka a 2001. júniusi napéjegyenlőség idején
meromiktikus tavak:
mély vagy kémiai rétegződést mutató tavak, csak részlegesen keverednek, nincs elegendő energia a rétegződés megbontására és felszíntől a fenékig átkeverni a vizet
− ok: jelentős sókoncentráció a fenék közelében, kémiailag meromiktikus tavak, meleg alzatközeli vízréteg (monimolimnion), ahol az oldott sók miatt marad a hidegebb rétegek alatt a melegebb víz
− a felső, keveredő réteg a myxolimnion, erős viharok felkeverhetik, drámai hatással járhat, mert az alzat közelében pl. az anaerob anyagcsere termékeként felhalmozódott H2S a felszínre kerül, az O2 elfogy és halpusztulást stb. okoz, a felszabaduló tápanyagok algavirágzástkelthetnek, sokáig tart, amíg az egyensúly helyreáll
epilimnionepilimnion
metalimnionmetalimnion
hypolimnionhypolimnion
monimolimnionmonimolimnion
myxolimnionmyxolimnionkemoklin
hőcsapda!
hőcsere: csak hővezetéssel
A monimolimnion a benne oldott sók miatt sűrűbb, mint a lehülés következtében lefelé áramló víz, amely ezért fölötte helyezkedik el.
A sókoncentráció 10 mg/l-es emelkedése* olyan sűrűségnövekedést okoz, mint a víz 5-ről 4- fokra történő lehűlése, a nap a monimolimniont felmelegíti, de keveredés nem történhet (*: a sókoncentráció lineárisan változik a hőmérséklettel!).
Krenogén meromixis: vízfenéken fakadó forrás
Ektogén meromixis: tengerparti tó vizébe alkalmanként tengervíz keveredik
Biogén meromixis: lebontó folyamatok során a fenéküledékből gázok kerülnek a víztérbe
Mély tavaknál kis felület/mélység arány mellett jön létre, amennyiben nincs kellő erősségű szél vagy nem hűl le kellő mértékben a víz.
Így nem történik teljes átkeveredés.
Ha ez éveken át rendszeresen elmarad, állandósul a monimolimnion, mert felgyülemlenek a gázok a fenéküledékben.
Ilyenek az Egyenlítőhöz közeli igen mély tavak, pl. Tanganyika- és Malawi-tó.
Meromiktikus tóból meleg monomiktikussá alakult a Holt-tenger
Termoklin szezonális alakulása egy mérsékeltövi tóban
A hőmérséklet
Áramlások, vízmozgások
Turbulencia: változó áramlási sebesség bármely ponton és irányban
*
Denivelláció: a víz a szél felőli oldalon apad, a másik oldalon feltorlódik és az epilimnion alján visszaáramlik; a hipolimnionban ellentétes irányúáramlás keletkezik
Sűrűségkülönbség által keltett áramlás: konvekciós áramlás,napi hőingásés /vagy eltérő kémiai összetételű víz befolyása hatására jelentősége: planktonszervezetek eloszlási mintázatát befolyásolhatja
Seiche („tólengés”): nagy tavaknál eltérő légnyomásviszonyok hatására létrejövő denivelláció, a gravitáció hatására áll vissza az eredeti állapot
*
Felszíni hullámzás: sekély tavakban a felkavarhatja az üledéket, erősen befolyásolhatja mind a planktont, mind a bentoszt
szél
széliránnyal párhuzamosan lefutó hab vonalak mutatják
Langmuir cirkuláció
A. Thurnherr photo
Padisák: Általános Limnológia
Meder mélyülése:
Meder meredekség jelentősége:
• Befolyásolja a litorális övezet kiterjedését, mélyülését
• Üledék stabilitását, szerkezetét
• Üledék felhalmozódás történhet-e
• Hullámok, áramlások hatása milyen szögben hatnak a tó mederre
• Gyökerező hínár megtelepedésének esélye
• Üledéklakó gerinctelenek mennyisége
• Vízimadarak megtelepedése
• Halak számára ívóhely, ivadékoknak búvóhely
Tavak keletkezése
Tektonikus (földkéreg elmozdulása)
Vulkanikus (krátertavak, v. beomlott v. kúp helyén kaldera tavak)
Hegyomlások, csuszamlások által elrekesztett területen
Glaciális (mozgó jégárak a görgetett moréna segítségével)
Sós forrás, tó és kicsapódott sóvirágok (Erdély, „Sóvidék”)
SSóókristkristáályoklyok
“Sóvidéknek nevezik, pedig a Korond vize és a Kis-Küküllő völgyét is le Szovátáig, azon több négyszög mérföldnyi sófekvetről, mely itt nemcsak a föld keblén rejtőzködik, hanem a föld felületére kitörve egész sóbérczeket alkot.”
pH függő folyamat: pH 8 –nál döntően bikarbonát ionok vannak jelen, ha nő, még inkább
Nagyon alacsony pH: szabad CO2 és szénsav
A legtöbb vízinövény CO2-t vagy bikarbonátot tud felvenni
Természetes körülmények között a szénsav alkáli földfémekkel és alkáli fémekkel oldhatatlan sókat képez, kicsapódik,
Megbontja az egyensúlyt,
Újabb CO2 oldódik be a vízbe
Kalcium bikarbonát kalcium-karbonát szénsavjól oldódik! rosszul oldódik!
A széndioxid-formák relatív aránya a pH függvényében
Biogén dekalcifikáció: magas fotoszintetikus aktivitás mellett a széndioxid elfogy, a karbonát kicsapódik a növényzeten, alzaton stb.
Mésztufagátak; Plitvicei tavak
Respiráció:
A keletkező karbonát bikarbonáttá alakul, amíg a fölös széndioxid el nem fogy.
A biogén úton nagy mennyiségben keletkező CO2 olyan mértékű pH csökkenést idézhet elő vezetékrendszerekben, hogy korróziót okoz.
A
rendszer felelős leginkább a tavak pufferkapacitásáért.
(H+ vagy OH- fogadása pH változás nélkül)
Alkalinitás: savakra vonatkoztatva a pufferkapacitás mértéke
Extra H+ esetén karbonátból HCO3 lesz, pH nem változik
Extra OH- esetén minél több kálcium van a vízben, annál több lesz a kötött szénsav, és annál több H+ és OH- adható változás nélkül.
Kálciumban gazdag tavak: pH 7-8
Kalciumban szegény tavak: alacsony a pufferkapacitás, enyhén savasak
Intenzív fotoszintézis során a pH akár 9-re is növekedhet, miközben elfogy a CO2,
Ha a növények a bikarbonátot is fel tudják venni, akkor a pH 11 is lehet!
Drasztikus napi ingadozások
Kanadai és skandináv tavak: kristályos alapkőzeten (kevés mész)
Alacsony pufferkapacitás
A savas esőkből származó kén- és salétromsav gyorsan csökkenti a pH-t, környezeti károk!
Lápok: huminsavak miatt 4,5 körüli pH, kalciumszegények, a szén limitálhat!
Alkalikus tavak:
Kenya: Nakuru
Alföldi szikes tavaink
Kiszáradt szikes tó a Kiskunságban, „sóvihar”, Dr. Forró László felvétele
Na2CO3van CaCO3 helyett, jól oldódik, pH 9 is lehet
Általában száraz, meleg területeken,
Többnyire lefolyástalanok
Tókitörés
Afrika, Kamerun, Nyos-tó, 19861986vulkáni tó, mélyén: hatalmas mennyiségű hidrokarbonát,
széndioxid kitörés („limnic eruption”)
éjszaka 80 millió m3 CO2 folyt le a hegy oldalán
1700 emberi áldozat
felső 50 m: befolyók táplálta vízréteg, nyomása csökkent
alsó 200 m: CO2-dús, elsősorban biogén eredetű, de folyamatos utánpótlás a vulkáni utóműködés következtében is, a felső nyomás csökkenése miatt telítődött a CO2 koncentráció és kitört
pH és alkalinitás
A biológiai aktivitásbeli különbségek miatt vertikális pH gradiens alakul ki
Időbeli változások
A legfontosabb pH-t befolyásoló tényezők:
- Fotoszintézis
- Légzés
- Nitrogén asszimiláció
hatása a pH-ra a karbonát-bikarbonát-széndioxid egyensúlytól függ:
6CO2+6H2O⇔C6H12O6+6O2
6HCO3-+6H+ ⇔C6H12O6+6O2
tehát, ha a pH <6,3 akkor kicsi a hatásuk, mivel ekkor a CO2uralkodik, a bikarbonát elenyésző
H+ konc. változása: a víz alkalinitására, savanyúság-semlegesítő kapacitására hat
A víz pufferkapacitása szabja meg, milyen mértékben hat a pH változás
Rétegzett tóban vertikális grádiens: az epilimnionban rendszerint magasabb
Kálciumban dús vizekben a fotoszintézis velejárójaként CaCO3 csapódik ki, szürkés, fehéres bevonat jelenik meg a leveleken
Ha az alapkőzet karbonátokban gazdag, a kőzet mállása révén a víz savakkal szembeni pufferkapacitása megnő, ilyenek a magas alkalinitású vizek
Ha az alkalinitás 0, a pH már kevés sav hozzáadására is jelentősen csökken
Alkalinitás kifejezése: milliekvivalens / l (meq l-1)
0,5 meq l-1 fölött: jó pufferkapacitás (kicsi a kockázata, hogy savasodik)
0,01meq l-1 alatt: nagyon sérülékeny, könnyen savasodhat
Az alkalinitás csökken, ha
baktériumok: szervetlen kén- vagy nitrogéntartalmú anyagok oxidációja, ekkor H+, SO4
A fentieknek drasztikus hatása lehet, ha az üledék fölött a víz kiszárad, és az átszellőzik: redukált kéntartalmú ásványok oxidálódnak, protonfelesleg lesz, újabb vízborításnál a pH csökken, élőlények nagy része elpusztulhat
pH csökkenése: befolyásolja sok állat szaporodását:
pl. Decapoda, Cladocera, Mollusca, Insecta, sok hal
Fitoplankton: dominanciastruktúra eltolódást mutat a nagyméretűostoros algák javára (pl. Peridinium, Gonyostomum)
Zooplankton: nagyméretű Copepoda fajok dominanciája (pl. Eudiaptomus) a Daphnia fajok helyett
Redox potenciál (Eh):Redox reakciók, elektron transzfere- donor: redukáló ágens, e- akceptor, oxidáló ágensA reakció iránya és sebessége a felszabaduló energiától függFotoszintézis során a CO2 a végső oxidáló ágens,a víz a végső redukáló ágens Közben a szén oxidációs száma 4-ről 0-ra csökken: szervesanyag, oxigén a végső e- akceptorMás, az élővilág számára fontos elem, amely változtatja az oxidációs számát:N, S, FeP: nem változik!Egy oldatban a szabad elektronokat egy elektród befogja és a rajta kialakulópotenciál megfelel az oldat oxidáló v. redukáló képességének.Gyakran pH 7-re standardizálják; mérés: standard hidrogén elektróddalpH emelkedés 1-gyel: Eh 0,058V-tal csökkenOxigén szerepe a redox potenciálnál:az oxigénkoncentráció alakulása önnmagában nem hatna Eh-ra!Fotoszintézis során: H2O ⇔1/2O2+2H+-2e-25°C-on pH=7 mellett az oxigénben telített vízben Eh=0,8VEh=0,8V elméleti, gyak.: az O2-ben gazdag epilimnionban 0,4-0,6V között,