Ugrás a tartalomhoz

Hidrobiológia

Csizmarik Gábor (2011)

Szent István Egyetem

4. fejezet - Az állóvizek fényklímája és hőháztartása

4. fejezet - Az állóvizek fényklímája és hőháztartása

Bevezetés

A fény jelentős szerepet játszik a tavak életében. Földünk oxigén készlete elképzelhetetlen fotoszintézis nélkül, ami nemcsak szárazföldi, hanem a vízi ökoszisztémákban is lejátszódik. Tavaink hőmérséklete az elnyelt fény hullámhosszától, a szél erejétől függ. A hőmérséklet módosítja a víz sűrűségét, aminek következtében zonáció alakul ki a tavakban.

Követelmények

  • Ismerje a sugárzás hullámhossz tartományait és ezek energiatartalmát!

  • Tudja a vertikális zónákat!

  • Tanulja meg a konvekciós áramlás okait!

  • Tudja a tavak fő rétegzettségi típusait!

A vízbe jutó sugárzás jellemző paraméterei:

A vizek felszínére jutó teljes sugárzás 300-3000 nm hullámhosszú:

Ez egyrészt közvetlen napsugárzás, másrészt a légkör közvetett, szórt sugárzása (derült időben 80% közvetlen, 20% szórt)

A teljes sugárzás három főbb hullámtartományra osztható:

  • ibolyántúli (ultraviola) 300-380 nm

  • fény (látható sugarak) 380-750 nm

  • vörösen inneni (infravörös) 750-3000 nm

Mivel a fotoszintézis a 390-710 nm közötti tartományt hasznosítja, az összes sugárzás 46-48%-a használható ki.

A felszínre érkező fény mennyiségi és minőségi változáson megy keresztül ezek:

  • a fényvisszaverődés (min. 7-10%),

  • fényelnyelés,

  • fényszóródás.

A vízbe behatoló fénysugár erőssége csökken. A fényvesztést (extinkció - a behatoló fény folyamatos gyengülése) a fényelnyelés (abszorpció) és a fényszóródás (diffúzió) együttesen okozza. A részecskékről visszaverődő fény egy része visszatér a levegőbe, ez a vízfény, amely akár 25%-ot is elérhet (20. ábra).

20. ábra. A víz felszínére érkező fénysugár sorsa. A b beesési szöggel érkező B fénysugár egy része v visszaverődési szögben visszaverődik (V), másik része p fénytörési szöggel a vízbe jut (M). tV: teljes visszaverődés

A vízbe jutó fény a vízben, vízfenéken elnyelődik, és elsősorban hővé alakul. A vízi növényvilág a beeső fény kb. 1%-át hasznosítja fotoszintézise által.

A fényelnyelés, fényszóródás függ a fény hullámhosszától (színétől), ezért a vízbe jutó fénysugarak hullámhosszuk szerint különböző mélységbe jutnak.

A vizek színét elsősorban két tényező alakítja ki. A kék égbolt visszaverődő fénye, és a szelektív fényabszorbció, ami a nagyobb jelentőségű.

  • Minél vastagabb a vízréteg, 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 (21. ábra.)

21. ábra. A kék fény szóródása

A vízben lebegő ásványi és szerves szemcsék egyrészt felületükkel szórják a fényt, másrészt saját színük is lehet, ezért e két tényező együttese eredményezi a víz változatos színét (22, 23. ábra).

22. ábra. A Tisza és a Bodrog eltérő színe

23. ábra. Az Azori-szigeteken lévő LagoaVerde („Zöld tó”) és LagoaAzul („Kék tó”)

A fény korlátozott lehatoló képessége miatt vertikális zonációt hoz létre a tavakban:

  • Fotikus vagy eufotikus övezet jön létre a felszíntől addig a mélységig, ahol a fénymennyiség az eredeti beeső fénynek az 1%-ára csökken. Ez a nappali nettó oxigén termelés zónája (fotoszintézis), éjszaka oxigén csökkenés tapasztalható a légzés következtében.

  • Az afotikus zóna a fotikus övezet alsó határától az alzatig húzódik. Itt a fény túl kevés a fotoszintézishez. A légzés dominál a produkcióhoz képest, ezért oxigén felhasználás történik (24. ábra).

24. ábra. A fotoszintézis alakulása a mélység függvényében

A vizek hőmérséklete rendkívül fontos ökológiai tényező a sajátos sűrűség tulajdonságok miatt. A hőmérséklet változása sűrűségváltozást eredményez, ami függőleges áramlásokat kelt. Ez a konvekciós áramlás.

A hő lehetséges forrásai a következők:

  • napsugárzás;

  • hővezetés a légkörből, ill. az alzatból;

  • vízfelszínre történő páralecsapódás;

  • felszíni és felszín alatti befolyókból;

hőveszteség:

  • sugárzás a környezetbe;

  • párolgás;

  • elfolyóvizek.

A tó és környezete közti hőkicserélődés legnagyobb része a tó felszínén történik (nappal a napsugárzás melegíti, éjjel sugárzással ad le hőt, valamint párolgás van 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? Ennek az oka kettős: a víz sűrűség-anomáliája és a szél hatása együttesen.

Ahogy az előző témakörben megtanultuk, a víz legnagyobb sűrűsége eltér a fagyás/olvadásponttól.

A víz legnagyobb sűrűsége 4 °C-on van, vagyis akár hűl, akár melegszik, a sűrűsége eleinte mindenképpen csökken.

A kisebb sűrűségű víz a sűrűbb rétegek felszínére kell, hogy kerüljön.

Nagyon fontos tulajdonsága, hogy 4 °C fölött a hőmérséklet növekedésével a víz sűrűsége nem lineárisan csökken.

Ha a víz 0-ról 4 °C-ra melegszik, a sűrűségkülönbség 0,13 g/l, ellenben 4 és 20 °C között 1,77 g/l.

A sűrűségkülönbség a növekvő hőmérséklettel egyre nagyobb lesz: 24-25 °C között 30-szor akkora, mint 4-5 °C között.

Éjjel, a hőleadás során a felszínközeli vízréteg sűrűsége nő, ezért lesüllyed addig a mélységig, ahol kiegyenlítődik.

A mérsékelt övben tavasszal és ősszel 4 °C-ra hűl a tavak felszíne, amelynek hatására az alzat közelében mindig 4 °C körüli a hőmérséklet.

Trópusokon soha nem hűl le a felszín 4 °C-ra, ezért a víz az aljzat közelében sem lesz 4 °C hőmérsékletű.

A szél örvényeket, áramlásokat kelt a víz felszínén, amely a felszíni, illetve 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 alsó vízréteggel. 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 húzódó sűrűbb, hideg rétegek között.

Így alakul ki az ún. rétegzett tavakra jellemző hőprofil.

A mérsékelt övi tavak víztestében nyáron három fő réteg alakul ki: Az epilimnion–fedőréteg, amely meleg felső vízréteg, nagyjából azonos hőmérsékletű. Ennek alsó határa 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.

A metalimnion–váltóréteg, mely gyors hőmérsékletváltozással jellemezhető réteg, termoklin (gyakran szinonimaként használják).

A hypolimnion–alsóréteg, az alzat feletti, hideg vízréteg (25. ábra).

25. ábra. A hőrétegzettség kialakulása. Termoklin: Az a mélységi pont ahol a hőmérséklet csökkenés maximális (> 1 °C/m)

A 4 °C-nál magasabb hőmérsékletű vizekben az 1 °C-ra jutó sűrűségváltozás nagyobb, mint hidegebb vizekben, ezért nagyobb energiabefektetéssel lehet összekeverni, mint alacsonyabb hőmérsékletűeket (24-25 °C víz összekeverése 30x annyi energiát emészt fel, mint 4-5 °C víz összekeverése).

Az évszakos változások képesek a tó vizét átkeverni.

Tavasszal, amint a felszíni víz hőmérséklete 4 °C 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 megszünteti. Idővel kialakul a stabil rétegzettség, amely a nyár folyamán egyre stabilabb lesz.

Nyáron a termoklin egyre mélyebben húzódik.

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 vízoszlop felszínközeli részét érintik, a sűrűség kiegyenlítésére induló 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.

Télen, ha a tó befagy, inverz (fordított) hőmérsékleti gradiens alakul ki. A szél hiányában rétegződés nincs. Elnevezése: téli stagnálás.

Trópusokon a rétegzett és a felkevert állapotok között napi váltakozás van. Nappal rétegzett a tó, éjjel a felszíne lehűl, és a szél átkeveri.

A hőháztartás alakulását befolyásolja az éghajlat, a tó mérete, a szélnek való kitettsége, és a befolyók.

A tavak a keveredési/cirkulációs mintázatuk alapján osztályozhatók.

Tavak fő rétegzettségi típusai:

  • Amiktikus. Egész év során fagyott tavak (Grönland, Antarktisz)

  • Meromiktikus. A tó rendszeresen átkeveredik, csak nem teljes mélységben. A monimolimnion nem átkeveredő, a mixolimnion átkeveredő réteg.

  • Holomiktikus

    • Hideg monomiktikus. Az év nagy részében be vannak fagyva, a jégtakaró elolvadásakor teljes a felkeveredés. A vízhőmérséklet nem haladja meg a 4 °C-ot. Jellemzően arktikus ill. hegyi tavak.

    • Dimiktikus. Tavaszi és őszi felkeveredés tapasztalható. Ide tartoznak a hideg mérsékelt övi, és a szubtrópusi magashegyi tavak.

    • Meleg monomiktikus. Soha nem fagynak be, meleg időszakban stabil rétegzettség alakul ki. Ide tartoznak a melegebb mérsékelt övi tavak.

  • Oligomiktikus. Nem rendszeresen felkeveredő tavak tartoznak ide. Főként a trópusokon fordulnak elő, de ilyen a Garda-tó is Olaszországban.

  • Polimiktikus. Ezek a tavak gyakran vagy folyamatosan felkevert állapotban vannak. Jellemzően sekély tavak, amikben azért múló rétegzettség kialakulhat.

  • Atelomiktikus. Trópusokra jellemző típus, naponta átkeveredik (nagy a napi hőingás).

Összefoglalás

A vízbe jutó fény a vízben, vízfenéken elnyelődik, és elsősorban hővé alakul. A vízi növényvilág a beeső fény kb. 1%-át hasznosítja fotoszintézise által. A fényabszorpció a mélységgel fokozatosan csökken. A fény korlátozott lehatoló képessége miatt vertikális zonációt hoz létre a tavakban.

A tó és környezete közti hőkicserélődés legnagyobb része a tó felszínén történik. A hőmérséklet változása sűrűségváltozást eredményez, ami függőleges áramlásokat kelt. Trópusokon a rétegzett és a felkevert állapotok között napi váltakozás van. Nappal rétegzett a tó, éjjel a felszíne lehűl, és a szél átkeveri.

Önellenőrző kérdések, feladatok

A következő állítások közül melyek igazak?

  1. Az ultraviola fény energiatartalma nagyobb, mint a látható sugárzásé.

  2. Az afotikus zóna a felszínen helyezkedik el.

  3. A hőmérséklet változása sűrűségváltozást eredményez, ami függőleges áramlásokat kelt.

  4. Az évszakos változások nem képesek a tó vizét átkeverni.

  5. Polimiktikus tavak: nem rendszeresen felkeveredő tavak.

  6. A vizek színét a kék égbolt visszaverődő fénye és a szelektív fényabszorbció alakítja ki.