Voda jako životní prostředí - světlo

Transkript

1 Hydrobiologie pro terrestrické biology Téma 6: Voda jako životní prostředí - světlo

2 Sluneční světlo ve vodě Sluneční záření dopadající na hladinu vody je 1) cestou hlavního přísunu tepla do vody 2) zdrojem fotosyntheticky aktivního záření (PhAR) pro fototrofní producenty vlnové délky 400 až 700 nm 3) faktorem určujícím světelné poměry pro ty reakce vodních organismů, které jsou ovlivněny světlem

3 Přísun slunečního záření (SZ) na planetu Zemi : je konstantní - solární konstanta 135 mw.cm -2 = 8,13 J.cm -2 min -1 = 1,94 cal.cm -2.min -1 na plochu kolmou na směr slunečních paprsků na povrchu Země méně (max. asi 105 mw.cm -2 za jasné oblohy) -část paprsků se odchyluje rozptylem na částicích = rozptýlená (difusní) složka SZ, záření oblohy - přímé + rozptýlené SZ = globální SZ

4 Přísun slunečního záření Vzhledem k různé výšce slunce nad obzorem závisí celkový denní příkon slunečního záření na zeměpisné šířce : roční průběh je pak v různých zeměpisných šířkách různý na rovníku jsou roční změny malé, průběh vyrovnaný s dvěma maximy (proč 2x?) v polárních oblastech strmé rozdíly

5 Denní množství SZ v různých zeměpisných šířkách

6 Spektrální složení slunečního světla přibližně 300 až 3000 nm, ale velmi různě rozloženo: maximum v modré - zelené oblasti nm jen 1 až 5 % UV nm (zachyceno ozonem, nebezpečné UV A nm málo, proniká nejhlouběji, UV B nm, UV C nm mírně nebezpečné, mělko) asi 47 % PhAR = nm, viditelné světlo, dosti stálý podíl asi 48 % infračervené záření nm, hlavní zdroj tepla do vody

7 Spektrální složení slunečního světla směrem k UV části spektra křivka distribuce prudce spadá = selektivní absorpce ozonem směrem k infračervené oblasti spadá pozvolna a velmi nepravidelně - selektivní absorpce složkami atmosféry, hlavně oxidem uhličitým a vodními parami dále závislé na : - výšce slunce nad obzorem - oblačnosti - množství částic v atmosféře

8 Spektrální složení slunečního světla

9 Průchod SZ do vody : část SZ se odráží od hladiny (a od částic blízko pod hladinou) celkem asi 15 % méně za klidné hladiny než za vlnobití více ráno a večer podle úhlu dopadu na hladinu proto více v zimě než v létě Intenzita slunečního záření I 0 zmenšená o tyto ztráty = podpovrchová intensita I 0 '

10 Průchod SZ do vody : Podíl odraženého záření závisí na 1) úhlu slunce nad obzorem a 2) dále na podílu rozptýlené složky SZ čím je větší, tím méně SZ se odráží od hladiny podíl rozptýlené složky je dán množstvím oblačnosti Následující graf podíl odraženého SZ : A = za jasné oblohy B = mírná oblačnost C = zcela a silně zataženo

11 Podíl SZ odraženého od hladiny

12 Průchod SZ do vody : Světlo do vody proniká jen omezeně, a to různé vlnové délky různě - zákon Lambert-Beerův Nejvíce se absorbuje červené (ještě více infračervené), nejméně zelené - vrstva 1 m vody absorbuje 65% červeného a jen 1% zeleného světla

13 Průchod SZ do vody : intenzita I z dopadající na vodorovnou plochu orientovanou vzhůru v hloubce z I z = I 0 '. e - ε.z, kde z je hloubka v metrech, I 0 ' je podpovrchová intenzita (v dané vlnové záření!!) ε je vertikální absorpční (extinkční) koeficient, rozměr m -1

14 Průchod SZ do vody : odchylky od platnosti Lambert-Beerova zákona způsobuje: různý úhel dopadu světla na hladinu, který má za následek různý podíl rozptýlení složky paprsky nejsou rovnoběžné při průchodu nejen absorpce světla, ale také rozptyl na částicích a pohlcování částicemi

15 Průchod SZ do vody :

16 ztráty světla při průchodu vodou v oligotrofním jezeře

17 ztráty světla v eutrofním jezeře

18 Průchod SZ do vody : Názornější vyjádření vertikálního absorpčního koeficientu je hloubka, v níž je ozářenost vodorovné plochy poloviční = optická polotlouštka (pro světlo dané vlnové délky) z 0,5 = ln 2 / ε hloubka z 0,01 (max), kam proniká 1 % I 0 ' té vlnové délky, která proniká nejhlouběji, je z 0,01 (max) = ln 100 / ε(min) = 6,6 z 0,5 (max), kde ε(min) je minimální absorp.koeficient a z 0,5 (max) je maximální optická polotlouštka

19 Průchod SZ do vody : hloubka, do níž proniká ještě 1 % podpovrchové intenzity nejhlouběji pronikající složky ( barvy ) světla, se používá k odhadu hloubky osvětlené vrstvy, v níž převládá fotosynthesa nad respirací (eufotická vrstva, viz dále) v praxi se využívá vztahu z 0,01 (max) = k. z Secchi, kde z Secchi je hloubka viditelnosti Secchi desky a koeficient k nabývá hodnot k = 2,5 v moři až k = 4 až 5 ve vodách s množstvím částic rpzptýlených ve vodě

20 Průchod SZ do vody : k vizuálnímu měření průhlednosti se používá Secchiho deska : čtverec nebo kruh 20 nebo 25 cm v průměru (American Standard : kruh o průměru 20 cm) buď zcela bílý nebo se střídavými černými a bílými kvadranty na velikosti i provedení záleží (neměnit!) nutno odečítat ve stínu (lodi), za klidné hladiny, a to střídavým ponořováním (až mizí zraku) a zpětným povytahováním (až se opět objevuje)

21 Průchod SZ do vody : přesná měření množství záření : pyranometry fotodiody vždy palubní hladinové čidlo a druhé ponořované několik zvolených barevných filtrů měření pro různé vlnové délky v rozmezí PhAR (voda je sama barevná a obsahuje barevné částice) měření vztaženo k denní době a stavu oblačnosti

22 Průhlednost vody Je snižována zákalem (turbiditou) působí ji částice rozptýlené ve vodě (živé i neživé) dále snižována zabarvením vody látkami rozpuštěnými nebo rozptýlenými ve vodě v málo produktivních vodách m, i více v silně produktivních vodách s vegetačním zákalem zelených organismů jen několik dm Proto je jednoduchou charakteristikou produkčních poměrů Sezónní změny : v zimě větší (není produkce)

23 Barva vody Skutečná : dána rozpuštěnými látkami Zdánlivá : skutečná + posun daný okolím (odraz) nebo částicemi ve vodě, znečištěním, atd. u čistých a hlubokých přírodních vod je modrá, rozpuštěné huminové látky odstíny hnědé organogenní zbarvení žlutozelené až zelené suspendované látky z povodí různě zakalená barva, někdy mléčně bílá až hnědá přesné měření : stupnice platiny (roztoky solí Pt)

24 Stratifikace světla Světlo je podmínkou života zelených organismů ve stojatých vodách zejména jednobuněčné řasy (stovky druhů) a sinice (cyanobakterie) Horní osvětlená zóna: eufotická vrstva až po kompenzační bod = hloubka s takovým množstvím světla, že primární produkce právě stačí pokrýt vlastní respiraci autotrofů (čistá produkce je nulová)

25 Stratifikace světla eufotická vrstva = trofogenní odhad z eufot ~ z 0,01 (max), tedy hloubka, kam ještě proniká 1 % podpovrchové intenzity SZ vrstvy pod hloubkou kompenzačního bodu : afotická = trofolytická vrstva - respirace fototrofů převládá nad případnou fotosynthesou

26