Opløst ilt og søers stratificering

Syre er nøglen til liv – de fleste organismer kan ikke overleve uden ilt, selv ikke dem under vandet. Sæsonbestemte vejrmønstre og vandets fysiske egenskaber kan påvirke temperaturen og indholdet af opløst ilt i hele vandsøjlen. Hvorfor er det vigtigt? Fordi de sæsonbestemte vejrmønstre og cyklusser er direkte forbundet med, hvor meget liv et vandmiljø kan bære.

Niveauer: Klassetrin: Mellemskole 5.-8. klasse

Forventninger til præstation:

• MS-ESS3-4 Jorden og menneskets aktiviteter: Konstruere et argument støttet af beviser for, hvordan stigninger i den menneskelige befolkning og forbruget af naturressourcer pr. indbygger påvirker Jordens systemer.
• MS-LS2-4 Økosystemer: Interaktioner, energi og dynamik: Konstruere et argument støttet af empiriske beviser for, at ændringer i et økosystems fysiske eller biologiske komponenter påvirker populationer.

For tilpasning, se Next Generation Science Standards Summary

Mål: Eleverne skal kunne beskrive, hvordan søers termiske lagdeling og niveauer af opløst ilt hænger sammen med en søs evne til at understøtte dyreliv. Denne lektion og aktivitet anvender den 5 E-læringscyklus. Hvis du vil vide mere, kan du læse dette faktablad om 5E-undervisningsmodellen.

Mål

Når denne lektion er afsluttet, vil eleverne kunne:

• Beskriv, hvad termisk stratificering er, og hvorfor nogle søer i tempererede områder stratificeres.
• Resumér, hvordan termisk stratificering i søer påvirker opløst ilt.
• Konstruere og fortolke grafer over opløst ilt og vanddybde.
• Forstå og definere hypoxiske zoner, anoxiske zoner og døde zoner.
• Diskutere betydningen af opløst ilt for organismer.
• Forstå sammenhængen mellem tilførsel af næringsstoffer og døde zoner.

Termer, som man skal kende ved lektionens afslutning:

• Opløset ilt
• Overførsel
• Atmosfærisk diffusion
• Thermisk stratificering
• Hypolimnion, metalimnion og epilimnion
• Produktivitet
• Hypoxisk zone
• Anoxisk zone
• Død zone
• Bakteriel nedbrydning

Baggrund

Fra det sene forår til det tidlige efterår, oplever nogle søer i tempererede klimaer termisk stratificering, et fænomen, hvor søer opdeles i tre forskellige termiske lag (figur 1). Solens opvarmning af vandoverfladen forårsager variationer i vandets tæthedsgrad og indleder den termiske stratificering. Køligere, tættere vand lægger sig på bunden af søen og danner hypolimnion. Et lag af varmere vand, kaldet epilimnion, flyder ovenpå. Et tyndt midterste lag kaldet metalimnion (eller termoklinen) adskiller top- og bundlagene og er kendetegnet ved en hurtig ændring i vandtemperaturen. Denne adskillelse er ofte stærk nok til at modstå vindens opblanding af lagene.

Den mest ekstreme termiske stratificering forekommer i søer i de varme sommermåneder. Under efterårsskiftet afkøles epilimnion, synker og falder under termoklinen, hvilket resulterer i opblanding. Termisk stratificering i en sø afhænger af søens dybde, form og størrelse. Nogle små, lavvandede søer oplever måske ikke sæsonbestemt termisk stratificering, fordi vinden blander hele søen. Andre søer, såsom Lake Erie, har en kombination af geografisk beliggenhed og vanddybde, der regelmæssigt giver termisk stratificering.

Figur 1: Vandtemperatur og termisk stratificering i søer.

Syre kan trænge ind i en sø ad tre forskellige veje. Den vigtigste mekanisme er atmosfærisk diffusion, hvor ilt i luften absorberes af overfladevand på grund af en forskel i iltkoncentrationer. For det andet laver vandplanter fotosyntese og frigiver ilt til vandet. Endelig bringer floder og vandløb iltholdigt vand ind i søen. I lagdelte søer modtager hypolimnion kun lidt ilt fra atmosfærisk diffusion og er for mørk til at bære iltproducerende planteliv. Tilførsel fra floderne har kun en minimal indvirkning på iltindholdet i store vandområder som Eriesøen. Derfor modtager den dybe hypolimnion kun meget lidt opløst ilt under sommerens termiske stratificering.

Søer kan beskrives ved deres produktivitet. Dette henviser til mængden af tilgængelige næringsstoffer i en sø og den primære produktion, eller plante- og algevækst, som de understøtter. Definition af trofisk status (næringsstof- eller vækststatus) er et middel til at klassificere søer ud fra deres produktivitetsniveau. De identificerede trofiske niveauer er:

• Oligotrofisk (olig-oh-trof-ik) – En oligotrofisk sø har lave næringsstofkoncentrationer og lav plantevækst (f.eks. Lake Superior). Den anses normalt for at have lav produktivitet.
• Eutrofisk (yoo-trof-ik) – En eutrofisk sø har høje næringsstofkoncentrationer og høj plantevækst. (f.eks. Eriesøen). Den anses for at have høj produktivitet.
• Mesotrofisk (meso-trof-ik) – Mesotrofiske søer ligger et sted mellem eutrofe og oligotrofe søer. De anses for at have en gennemsnitlig produktivitet.

I eutrofe søer, såsom Eriesøen, vokser store algeopblomstringer ved overfladen i løbet af sommeren. Algerne har brug for store mængder af næringsstoffer for at kunne danne disse opblomstringer. Når algerne dør, synker blomstringen ned på bunden og nedbrydes af bakterier. Bakteriernes nedbrydning, dvs. den biologiske opdeling af et stof i enklere elementer, kræver ilt. Iltforbruget og den lave ilttilførsel i hypolimnion skaber tilsammen ekstremt lave iltniveauer under termisk stratificering.

Figur 2. Døde zoner i Lake Erie fra 1970-2002.

Når indholdet af opløst ilt falder til under 2 mg/l, betegnes vandet som hypoxisk. Når det nærmer sig 0 mg/l, bliver det anoxisk. En død zone er et område i en sø, der enten er hypoxisk eller anoxisk, og hvor kun få organismer kan overleve. Iltforbrugende organismer i døde zoner kvæles enten eller forlader området. Ifølge Michigans vandkvalitetsstandarder er der behov for en iltkoncentration på mindst 7 mg/l for koldtvandsfisk og mindst 5 mg/l for varmtvandsfisk (MDEQ, 1994).

Figur 3. Lake Erie Bathymetry Map (Credit:NOAA).

Det lavvandede centrale bassin i Lake Erie er ramt af døde zoner. Forskere i hele De Store Søers afvandingsområde overvåger søen ved at indsamle og dele vandkvalitetsdata for bedre at forstå, hvad der bidrager til dannelsen af døde zoner. En af de mest brugervenlige dataportaler er Great Lakes FieldScope-projektet. Dette projekt, der er oprettet gennem et partnerskab mellem Michigan Sea Grant og National Geographic, indsamler vandkvalitetsdata fra området omkring de store søer og giver brugerne mulighed for at indtaste deres egne data eller udforske regionale vandkvalitetsdata ved hjælp af grafer og kort. Programmet er brugervenligt og robust nok til at foretage grundlæggende videnskabelige undersøgelser – perfekt til en indledende lektion om termisk stratificering og døde zoner.

Den følgende lektion er egnet til elever på mellemtrinnet (6.-8. klasse). Den udforsker vandkvalitetsdata, der er gemt i Great Lakes FieldScope-projektets database, og bruger FieldScope-baserede interaktive analyse- og kortlægningsværktøjer. Denne lektion kan sammen med data-arbejdsarket og data-arbejdsark-nøglen også findes på Michigan Sea Grant-webstedet på www.michiganseagrant.org/lessons/. Klik på fanen Explore Lessons & Data og søg derefter efter Oxygen in Water.

Engage

Denne del af lektionen skal fange elevernes interesse, om muligt knytte an til tidligere kursusarbejde og introducere emnet.

1. Først skal du spørge, om nogen af eleverne har svømmet i en sø eller dam om sommeren og følt koldt vand ved deres fødder. Hvis det er tilfældet, kan de have mærket termisk stratificering. Spørg eleverne, om de kan definere termisk stratificering, og forklar derefter, hvad det er, ved hjælp af ovenstående baggrundsinformation. Opmuntre eleverne til at stille spørgsmål om, hvorfor vand stratificeres. Undervisere kan relatere termisk stratificering til den lagdeling, der sker med olie og eddike. Olie og eddike har forskellig vægtfylde, og derfor flyder den ene på den anden. Dette svarer til vand ved forskellige temperaturer. Koldt vand er tættere end varmt vand. Tættere vand vil synke, og varmere vand vil flyde, hvorved der opstår lag. Dette er en god lejlighed til at præsentere figur 1 og give eleverne mulighed for at stille spørgsmål.

1. Spørg, om eleverne ved noget om opløst ilt. For at hjælpe dem med at forstå idéen kan du spørge, om de nogensinde har set en boblesten i et akvarium. Hvis ja, spørg, hvorfor de bruges. Nogle svar kunne være: De kan f.eks. svare på, hvorfor man bruger dem: “Boble sten cirkulerer vandet og øger iltniveauet i akvarier ved at tilføre ilt direkte til systemet og ved at øge mængden af vand, der kommer i kontakt med luften. Dette fremmer den atmosfæriske diffusion af ilt i vandet.

1. Diskuter nu luftdiffusion på søskalaen. På hvilke måder kan en sø modtage ilt? Diskuter de ovenstående baggrundsoplysninger, så eleverne kender til de tre metoder til iltdiffusion. De fleste elever ved, at planter producerer ilt, og underviserne kan forbinde denne idé med vandmiljøet. Spørg eleverne, hvorfor de måske tror, at opløst ilt er vigtigt i en sø. Sørg for, at eleverne forstår, at vanddyr, ligesom landdyr, har brug for ilt. Beskriv, hvor meget ilt koldtvands- og varmtvandsfisk har brug for. Forklar derefter, hvordan iltniveauet kan blive meget lavt på visse tidspunkter af året på grund af termisk stratificering. Introducer begrebet døde zoner. Dette er en god lejlighed til at vise figur 2.

Udforsk & Forklar

• Aktivitet: Hvordan opløst ilt varierer med søens dybde og termiske lagdeling (med Great Lakes FieldScope)
  Resumé: Eleverne skal kunne beskrive, hvordan søers termiske lagdeling og niveauer af opløst ilt hænger sammen med en søs evne til at understøtte dyrelivet.
  Tid: 50 minutter i timen.

Udarbejde

I dette afsnit får eleverne yderligere ressourcer om hypoxi. Disse indeholder oplysninger om, hvordan indholdet af opløst ilt kan påvirke vigtige tjenester som f.eks. drikkevand og rekreation.

Ressourcer:

• Skadelige algeblomster og hypoxi
• Faktablad om Lake Erie
• Eriksøen
• Eksperimentelt advarselssystem for hypoxi
• Faktablad om hypoxi
• Hvad er en død zone
• Hvad forårsager en død zone?

Diskussionsspørgsmål:

• Hvordan kan indholdet af opløst ilt påvirke organismer, der lever i en sø?
• Hvordan kan menneskelige aktiviteter påvirke døde zoner?
• Hvilken indvirkning har hypoxi på økosystemet/fødevarevævet i Eriesøen?

Eleverne skal kombinere alt det, de har lært indtil nu, for at udarbejde en minirapport og præsentere deres resultater for resten af klassen. Rapporten kan indeholde grafer, svar på arbejdsark og diskussionsspørgsmål samt oplysninger fra denne lektion og de ressourcer, der er anført nedenfor.

Evaluerer

Evalueringen er løbende. Denne del af lektionen og aktiviteten giver underviseren fleksibilitet til at vurdere og overvåge elevernes fremskridt.

En måde at evaluere, om eleverne forstår, hvordan døde zoner dannes, er at få dem til at lave et diagram over de trin, der er involveret i at skabe en død zone i en eutrof sø. Diagrammet kan bestå af kasser og pile, der løber gennem en sø. Det ville starte med tilførsel af næringsstoffer, efterfulgt af en algeopblomstring, der dør og synker til bunds. Til sidst nedbryder bakterier algerne, hvilket reducerer iltniveauet og fører til dannelsen af en død zone. Diagrammet ville også omfatte epilimnion, metalimnion og hypolimnion.

På baggrund af aktiviteten og klassediskussionen skal eleverne desuden kunne:

• Beskrive, hvad termisk stratificering er, og hvorfor nogle søer i tempererede områder stratificeres.
• Forstå, hvordan termisk lagdeling af søer påvirker opløst ilt.
• Konstruere og fortolke grafer over opløst ilt og vanddybde.
• Forstå og definere hypoxiske zoner, anoxiske zoner og døde zoner.
• Diskutere betydningen af opløst ilt for organismer.

Aktiviteter

• Hvordan opløst ilt varierer med søens dybde og termiske lagdeling (med Great Lakes FieldScope)
  Summary: Eleverne skal kunne beskrive, hvordan søers termiske lagdeling og niveauer af opløst ilt hænger sammen med en søs evne til at understøtte dyreliv.
  Tid: 50 minutter i timen.
• Grafisk registrering af temperaturer
  Resumé: Grafisk registrering af Eriesøens vandtemperaturer fra overfladen til bunden af søen.
  Tid: En klasseperiode på 50 minutter
  Døde zoner – lektion 3 Aktivitet A: Standarder og vurdering
• Luftforsyning: Kortlægning af opløst ilt
  Summarum: Kortlæg opløst ilt fra overfladen til bunden af Eriesøen.
  Tid: To gange 50 minutter i klassen
  Døde zoner – lektion 3 Aktivitet B: Standarder og vurdering

Supplerende figurer & Ressourcer

• Lake Erie Bathymetry
• Skadelige algeblomster og hypoxi
• Faktablad om Erie-søen
• Eksperimentelt advarselssystem for hypoxi
• Faktablad om hypoxi
• Hypoxi
• Hvad er en død zone?
• Hvad forårsager en død zone?

Lektion &Datakilder

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

Great Lakes Water Data Sets for Teachers. Eastern Michigan University, Ypsilanti, MI 48197. Projekt støttet af Office of Education and Outreach at NOAA’s Great Lakes Environmental Research Laboratory, Ann Arbor, 48108. Forfattere: Rutherford, S, Coffman, M, Marshall, A, Sturtevant, R, Klang, G, Schwab, D, LaPorte, E.

Louisiana Marine Education Resources – Gateways to Aquatic Science. På igen, af igen – den døde zone. Louisiana Sea Grant. Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803. Forfattere: Lindstedt, D.Website, besøgt den 1. december 2009.

Michigan Department of Environmental Quality (MDEQ). 1994. Dissolved Oxygen (opløst ilt). http://www.michigan.gov/documents/deq/wb-npdes-DissolvedOxygen_247232_7.pdf

Water on the Web – Monitoring Minnesota Lakes on the Internet and Training Water Science Technicians for the Future – A National Online Curriculum using Advanced Technologies and Real-time Data (Vand på nettet – overvågning af Minnesota-søer på internettet og uddannelse af vandvidenskabelige teknikere for fremtiden). University of Minnesota-Duluth, Duluth, MN 55812. Forfattere: Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Websted, besøgt den 1. december 2009.