Az oldott oxigén és a tavak rétegződése

Az oxigén az élet kulcsa – a legtöbb szervezet nem tud nélküle életben maradni, még a víz alattiak sem. Az évszakos időjárási minták és a víz fizikai tulajdonságai befolyásolhatják a hőmérsékletet és az oldott oxigén szintjét az egész vízoszlopban. Miért fontos ez? Mert az évszakos időjárási minták és ciklusok közvetlen kapcsolatban állnak azzal, hogy egy vízi környezet mennyi életet képes eltartani.

Fokozati szintek: Középiskola 5-8. osztály

Teljesítményelvárások:

• MS-ESS3-4 Föld és az emberi tevékenység: Konstruáljon bizonyítékokkal alátámasztott érvet arra vonatkozóan, hogy az emberi népesség növekedése és a természeti erőforrások egy főre jutó fogyasztása hogyan hat a Föld rendszereire.
• MS-LS2-4 Ökoszisztémák: Kölcsönhatások, energia és dinamika: Konstruáljon empirikus bizonyítékokkal alátámasztott érvet arra vonatkozóan, hogy egy ökoszisztéma fizikai vagy biológiai összetevőinek változásai hatással vannak a populációkra.

Az összehangolást lásd a következő generációs tudományos szabványok összefoglalójában

Cél: A tanulók képesek lesznek leírni, hogy a tavak termikus rétegződése és az oldott oxigén szintje hogyan kapcsolódik a tó állati életet támogató képességéhez. Ez a lecke és a tevékenység az 5 E tanulási ciklust használja. Ha többet szeretne megtudni, tekintse meg ezt az 5E oktatási modell adatlapot.

Célkitűzések

A lecke elvégzése után a tanulók képesek lesznek:

• leírni, mi a termikus rétegződés, és miért rétegződnek egyes tavak a mérsékelt égövi régiókban.
• összefoglalni, hogyan befolyásolja a tavak termikus rétegződése az oldott oxigént.
• Készítsen és értelmezze az oldott oxigén és a vízmélység grafikonjait.
• Értelmezze és definiálja a hipoxiás zónákat, az anoxiás zónákat és a holt zónákat.
• Tárgyalja az oldott oxigén fontosságát az élőlények számára.
• Értelmezze a tápanyagbevitel és a holt zónák közötti kapcsolatot.

Kifejezések, amelyeket a lecke végére ismerni kell:

• Az oldott oxigén
• Turnover
• Atmoszférikus diffúzió
• Thermikus rétegződés
• Hypolimnion, metalimnion és epilimnion
• Produktivitás
• Hipoxikus zóna
• Anoxikus zóna
• Halt zóna
• Bakteriális bomlás

Háttér

Késő tavasztól kora őszig, a mérsékelt éghajlaton egyes tavakban termikus rétegződés tapasztalható, amely jelenség során a tavak három különböző termikus rétegre válnak szét (1. ábra). A vízfelszín nap általi felmelegedése a víz sűrűségének változásait okozza, és elindítja a termikus rétegződést. A hűvösebb, sűrűbb víz leülepszik a tó aljára, kialakítva a hipolimniont. A melegebb vízből álló réteg, az úgynevezett epilimnion lebeg a tó tetején. A felső és az alsó réteget egy vékony középső réteg, a metalimnion (vagy termoklin) választja el egymástól, amelyet a vízhőmérséklet gyors változása jellemez. Ez az elválasztás gyakran elég erős ahhoz, hogy ellenálljon a rétegek szél általi keveredésének.

A legszélsőségesebb termikus rétegződés a tavakon belül a meleg nyári hónapokban fordul elő. Az őszi fluktuáció során az epilimnion lehűl, lesüllyed és a termoklinon alá süllyed, ami keveredést eredményez. A tó termikus rétegződése a tó mélységétől, alakjától és méretétől függ. Egyes kis, sekély tavakban nem tapasztalható szezonális termikus rétegződés, mivel a szél az egész tavat átkeveri. Más tavak, például az Erie-tó, a földrajzi elhelyezkedés és a vízmélység kombinációja miatt rendszeresen termikus rétegződés alakul ki.

1. ábra: Vízhőmérséklet és a tó termikus rétegződése.

Az oxigén három különböző úton juthat a tóba. A fő mechanizmus a légköri diffúzió, amikor a levegőben lévő oxigént az oxigénkoncentráció-különbség miatt a felszíni víz elnyeli. Másodszor, a vízi növények fotoszintetizálnak és oxigént bocsátanak a vízbe. Végül a folyók és patakok oxigéndús vizet juttatnak a tóba. A rétegzett tavakban a hipolimnion kevés oxigént kap a légköri diffúzióból, és túl sötét ahhoz, hogy oxigéntermelő növényi életet támogasson. A folyami beáramlásnak csak minimális hatása van az olyan nagy víztestek oxigéntartalmára, mint az Erie-tó. Így a nyári termikus rétegződés során a mély hipolimnion nagyon kevés oldott oxigénhez jut.

A tavakat a termelékenységükkel lehet jellemezni. Ez a tóban rendelkezésre álló tápanyagok mennyiségére és az általuk támogatott elsődleges termelésre, vagyis a növények és algák növekedésére utal. A trofikus (tápanyag- vagy növekedési) állapot meghatározása a tavak termelékenységi szintjük szerinti osztályozásának eszköze. Az azonosított trópusi szintek a következők:

• Oligotróf (olig-oh-trof-ik) – Az oligotróf tó alacsony tápanyagkoncentrációval és alacsony növénynövekedéssel rendelkezik (pl. a Superior-tó). Általában alacsony termelékenységűnek tekintik.
• Eutróf (yoo-trof-ik) – Az eutróf tó magas tápanyagkoncentrációval és magas növénynövekedéssel rendelkezik. (pl. Erie-tó). Magas termelékenységűnek tekinthető.
• Mezotróf (meso-trof-ik) – A mezotróf tavak valahol az eutróf és az oligotróf tavak között helyezkednek el. Ezek átlagos termelékenységűnek tekinthetők.

Az eutróf tavakban, mint például az Erie-tó, nyáron nagy algavirágzások nőnek a felszínen. Az algáknak nagy mennyiségű tápanyagra van szükségük ahhoz, hogy ezeket a virágzásokat kialakíthassák. Ahogy az algák elpusztulnak, a virágzás a fenékre süllyed, és a baktériumok lebontják. A baktériumok általi bomláshoz, vagyis egy anyag egyszerűbb elemekre történő biológiai szétválasztásához oxigénre van szükség. Az oxigénfogyasztás és az alacsony oxigénbevitel a hipolimnionban együttesen rendkívül alacsony oxigénszintet eredményez a termikus rétegződés során.

2. ábra. Holt zónák az Erie-tóban 1970-2002 között.

Amint az oldott oxigén szintje 2 mg/l alá csökken, a vizet hipoxikusnak nevezik. Amint megközelíti a 0 mg/l-t, anoxikussá válik. A holt zóna egy olyan terület a tavon belül, amely hipoxiás vagy anoxiás, és amelyben kevés élőlény képes túlélni. Az oxigénigényes szervezetek a holt zónában vagy megfulladnak, vagy elhagyják a területet. A michigani vízminőségi szabványok szerint a hidegvízi halak számára legalább 7 mg/l oxigénkoncentráció szükséges, a melegvízi halak számára pedig legalább 5 mg/l (MDEQ, 1994).

3. ábra. Az Erie-tó batimetriai térképe (Credit:NOAA).

Az Erie-tó sekély középső medencéjében holt zónák tapasztalhatók. A Nagy-tavak medencéjének tudósai a vízminőségi adatok gyűjtésével és megosztásával figyelik a tavat, hogy jobban megértsék, mi járul hozzá a holtágak kialakulásához. Az egyik legfelhasználóbarátabb adatportál a Great Lakes FieldScope projekt. A Michigan Sea Grant és a National Geographic partnerségével létrehozott projekt a Nagy-tavak régiójának vízminőségi adatait gyűjti össze, és lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy saját adataikat megadják, vagy grafikonok és térképek segítségével felfedezzék a regionális vízminőségi adatokat. A program felhasználóbarát és elég robusztus ahhoz, hogy alapvető tudományos vizsgálatokat végezzen – tökéletes a termikus rétegződésről és a holt zónákról szóló bevezető leckéhez.

A következő lecke középiskolás diákok (6-8. osztály) számára alkalmazható. A Nagy-tavak FieldScope projekt adatbázisában tárolt vízminőségi adatokat vizsgálja, és FieldScope-alapú interaktív elemző és térképező eszközöket használ. Ez a lecke, valamint az adatmunkalap és az adatmunkalap-kulcs a Michigan Sea Grant honlapján is megtalálható: www.michiganseagrant.org/lessons/. Kattintson az Explore Lessons & Data fülre, majd keressen rá az Oxygen in Water (Oxigén a vízben) kifejezésre.

Engage

A lecke ezen részének fel kell keltenie a tanulók érdeklődését, lehetőség szerint kapcsolódnia kell a korábbi tananyaghoz, és be kell vezetnie a témát.

1. Kezdje azzal a kérdéssel, hogy a tanulók közül valaki úszott-e már nyáron tóban vagy tóban, és érezte-e a hideg vizet a lábánál. Ha igen, akkor talán érezték a termikus rétegződést. Kérdezzük meg a tanulókat, hogy meg tudják-e határozni a termikus rétegződés fogalmát, majd a fenti háttérinformációk segítségével tisztázzuk, hogy mi is az. Bátorítsa a tanulókat, hogy tegyenek fel kérdéseket azzal kapcsolatban, hogy miért rétegződik a víz. A pedagógusok kapcsolatba hozhatják a termikus rétegződést az olaj és az ecet rétegződésével. Az olajnak és az ecetnek különböző a sűrűsége, ezért az egyik a másikon úszik. Ez hasonló a különböző hőmérsékletű vízhez. A hideg víz sűrűbb, mint a meleg víz. A sűrűbb víz süllyedni fog, a melegebb víz pedig lebegni, így rétegek jönnek létre. Ez jó alkalom az 1. ábra bemutatására és arra, hogy a tanulók kérdéseket tehessenek fel.

1. Kérdezzük meg, hogy a tanulók tudnak-e az oldott oxigénről. Hogy segítsen nekik megérteni az elképzelést, kérdezze meg, hogy láttak-e már valaha buborékkövet akváriumban. Ha igen, kérdezd meg, hogy miért használják őket. Néhány válasz lehet a következő: A buborékkövek keringetik a vizet és növelik az oxigénszintet az akváriumokban azáltal, hogy közvetlenül oxigént juttatnak a rendszerbe, és növelik a levegővel érintkező víz mennyiségét. Ez elősegíti az oxigén légköri diffúzióját a vízbe.

1. Most tárgyaljuk a levegő diffúzióját a tó szintjén. Milyen módon juthat egy tó oxigénhez? Beszéljétek meg a fenti háttérinformációkat, hogy a tanulók ismerjék az oxigéndiffúzió három módját. A legtöbb diák tudja, hogy a növények oxigént termelnek, és a pedagógusok ezt a gondolatot a vízi környezethez is kapcsolhatják. Kérdezze meg a tanulókat, miért gondolhatják, hogy az oldott oxigén miért fontos egy tóban. Győződjön meg róla, hogy a tanulók megértették, hogy a szárazföldi állatokhoz hasonlóan a vízi állatoknak is szükségük van oxigénre. Írja le, hogy mennyi oxigénre van szüksége a hideg és melegvízi halaknak. Ezután magyarázzák el, hogy a termikus rétegződés miatt az év bizonyos időszakaiban nagyon alacsony lehet az oxigénszint. Mutassa be a holt zónák fogalmát. Ez jó alkalom a 2. ábra bemutatására.

Explore & Explain

• Tevékenység: Hogyan változik az oldott oxigén a tó mélységétől és a termikus rétegződésétől függően (a Great Lakes FieldScope segítségével)
  Összefoglaló: A tanulók képesek lesznek leírni, hogy a tó termikus rétegződése és az oldott oxigén szintje hogyan függ össze azzal, hogy egy tó mennyire képes fenntartani az állati életet.
  Időtartam: 50 perces tanóra.

Megoldás

Ebben a részben a tanulók további forrásokat kapnak a hipoxiáról. Ezek információt nyújtanak arról, hogy az oldott oxigén szintje hogyan befolyásolhatja az olyan fontos szolgáltatásokat, mint az ivóvíz és a rekreáció.

Források:

• Káros algavirágzás és hipoxia
• Az Erie-tó adatlapja
• Kísérleti hipoxia figyelmeztető rendszer
• Hypoxia adatlap
• Mi az a holt zóna
• Mi okozza a holt zónát?

Vitatkérdések:

• Hogyan befolyásolhatja az oldott oxigén szintje a tóban élő szervezeteket?
• Hogyan befolyásolhatják az emberi tevékenységek a holt zónákat?
• Milyen hatással van a hipoxia az Erie-tó ökoszisztémájára/táplálékhálózatára?

A tanulóknak kombinálniuk kell mindazt, amit eddig tanultak, hogy egy mini jelentést készítsenek, és bemutassák eredményeiket az osztály többi tagjának. A jelentés tartalmazhat grafikonokat, a munkalapra és a vitakérdésekre adott válaszokat, valamint a leckéből és az alább megadott forrásokból szerzett információkat.

ÉRTÉKELÉS

Az értékelés folyamatban van. A lecke és a tevékenység ezen szakasza rugalmasságot biztosít a pedagógusnak a tanulók fejlődésének értékeléséhez és nyomon követéséhez.

Az egyik módja annak értékelésére, hogy a tanulók megértették-e, hogyan alakulnak ki a holt zónák, az, hogy diagramot készíttetünk velük egy eutróf tóban a holt zóna kialakulásának lépéseiről. A diagram állhat a tavon átfolyó dobozokból és nyilakból. A diagram a tápanyagbevitellel kezdődik, majd egy algavirágzás következik, amely elpusztul és lesüllyed a fenékre. Végül a baktériumok lebontják az algákat, ami csökkenti az oxigénszintet, ami a holt zóna kialakulásához vezet. A diagram tartalmazná az epilimniont, a metalimniont és a hipolimniont is.

A tevékenység és az órai megbeszélés alapján a tanulóknak emellett képesnek kell lenniük:

• Magyarázzák, mi a termikus rétegződés, és miért rétegződnek egyes tavak a mérsékelt égövi régiókban.
• Fogják fel, hogy a tavak termikus rétegződése hogyan befolyásolja az oldott oxigént.
• Készítsenek és értelmezzenek grafikonokat az oldott oxigénről és a vízmélységről.
• Érttsék és definiálják a hipoxikus zónákat, az anoxikus zónákat és a holt zónákat.
• Tárgyalják az oldott oxigén fontosságát az élőlények számára.

Tevékenységek

• Hogyan változik az oldott oxigén a tó mélységével és a termikus rétegződéssel (a Great Lakes FieldScope segítségével)
  Összefoglaló: A tanulók képesek lesznek leírni, hogy a tavak termikus rétegződése és az oldott oxigén szintje hogyan függ össze a tó azon képességével, hogy az állati életet támogassa.
  Idő: 50 perces tanítási óra.
• Hőmérsékletek grafikus ábrázolása
  Összefoglaló: Az Erie-tó vízhőmérsékletének grafikus ábrázolása a felszíntől a tó aljáig.
  Idő: A tó vízhőmérsékletének grafikus ábrázolása a felszíntől a tó aljáig: Tanítási idő: Egy 50 perces tanítási óra
  Halott zónák – 3. lecke A. tevékenység: Szabványok és értékelés
• Levegőellátás: Az oldott oxigén grafikus ábrázolása
  Összefoglaló: Az oldott oxigén grafikus ábrázolása az Erie-tó felszínétől az aljáig.
  Idő: Két 50 perces tanítási óra
  Halott zónák – 3. lecke B. tevékenység: Szabványok és értékelés

Kiegészítő ábrák & Források

• Az Erie-tó fürdőmérete
• Káros algavirágzás
• Káros algavirágzás and Hypoxia
• Lake Erie Factsheet
• Experimental Hypoxia Warning System
• Hypoxia Factsheet
• What is a dead zone?
• Mi okozza a holt zónát?

Lekció & Adatforrások

Great Lakes Coastal Forecasting System. NOAA-Great Lakes Environmental Research Laboratory (GLERL) Ann Arbor, MI 48108. A szerzők: Schwab, DJ, Beletsky, D, Bedford, KW, Lang, GA.

Great Lakes Water Data Sets for Teachers. Eastern Michigan University, Ypsilanti, MI 48197. A NOAA Nagy-tavak Környezetvédelmi Kutató Laboratóriumának Oktatási és Ismeretterjesztési Irodája által támogatott projekt, Ann Arbor, 48108. A szerzők: Rutherford, S, Coffman, M, Marshall, A, Sturtevant, R, Klang, G, Schwab, D, LaPorte, E.

Louisiana Marine Education Resources – Gateways to Aquatic Science. On Again, Off Again – A holt zóna. Louisiana Sea Grant. Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803. A szerzők: Lindstedt, D. Website, hozzáférés: 2009. december 1.

Michigan Department of Environmental Quality (MDEQ). 1994. Oldott oxigén. http://www.michigan.gov/documents/deq/wb-npdes-DissolvedOxygen_247232_7.pdf

Víz a weben – Minnesotai tavak megfigyelése az interneten és a jövő víztudományi technikusainak képzése – Nemzeti online tanterv fejlett technológiák és valós idejű adatok felhasználásával. University of Minnesota-Duluth, Duluth, MN 55812. Authors: Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Weboldal, hozzáférés: 2009. december 1.

.