Hydrobiologie pro terrestrické biology
• Téma 6:
Voda jako životní prostředí světlo
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
• Přísun slunečního záření (SZ) na planetu Zemi : • je konstantní - solární konstanta 135 mW.cm-2 = 8,13 J.cm-2min-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
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
Denní množství SZ v různých zeměpisných šířkách
Spektrální složení slunečního světla • přibližně 300 až 3000 nm, ale velmi různě rozloženo: • maximum v modré - zelené oblasti 400 - 500 nm • jen 1 až 5 % UV 300 - 390 nm (zachyceno ozonem, nebezpečné UV A 40 - 280 nm málo, proniká nejhlouběji, UV B 280 - 320 nm, UV C 320 - 390 nm – mírně nebezpečné, mělko) • asi 47 % PhAR = 390 - 770 nm, viditelné světlo, dosti stálý podíl • asi 48 % infračervené záření 770 - 3 000 nm, hlavní zdroj tepla do vody
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
Spektrální složení slunečního světla
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 I0 zmenšená o tyto ztráty = podpovrchová intensita I0'
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
Podíl SZ odraženého od hladiny
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
Průchod SZ do vody : • intenzita Iz dopadající na vodorovnou plochu orientovanou vzhůru v hloubce z
Iz = I0' . e- ε.z
,
kde z je hloubka v metrech, I0' je podpovrchová intenzita (v dané vlnové záření !!) ε je vertikální absorpční (extinkční) koeficient, rozměr m-1
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
Průchod SZ do vody :
ztráty světla při průchodu vodou v oligotrofním jezeře
ztráty světla v eutrofním jezeře
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)
z0,5 = ln 2 / ε hloubka z0,01(max) , kam proniká 1 % I0' té vlnové délky, která proniká nejhlouběji, je z0,01(max) = ln 100 / ε(min) = 6,6 z0,5(max) , kde ε(min) je minimální absorp .koeficient a z0,5(max) je maximální optická polotlouštka
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 z0,01(max) = k . zSecchi , kde zSecchi 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
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)
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
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 15 – 20 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)
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)
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)
Stratifikace světla eufotická vrstva = trofogenní odhad zeufot ~ z0,01(max) , tedy hloubka, kam ještě proniká 1 % podpovrchové intenzity SZ vrstvy pod hloubkou kompenzačního bodu : afotická = trofolytická vrstva - respirace fototrofů převládá nad případnou fotosynthesou
