El oxígeno es la clave de la vida – la mayoría de los organismos no pueden sobrevivir sin él, incluso los que están bajo el agua. Los patrones climáticos estacionales y las propiedades físicas del agua pueden afectar a la temperatura y a los niveles de oxígeno disuelto en toda la columna de agua. ¿Por qué es importante? Porque los patrones y ciclos meteorológicos estacionales están directamente relacionados con la cantidad de vida que puede soportar un entorno acuático.
Niveles de Grado: Escuela Secundaria 5º-8º grado
Expectativas de desempeño:
- MS-ESS3-4 La Tierra y la actividad humana: Construir un argumento apoyado en pruebas sobre cómo el aumento de la población humana y el consumo per cápita de recursos naturales afectan a los sistemas de la Tierra.
- MS-LS2-4 Ecosistemas: Interacciones, energía y dinámica: Construir un argumento apoyado en pruebas empíricas de que los cambios en los componentes físicos o biológicos de un ecosistema afectan a las poblaciones.
Para la alineación, ver Next Generation Science Standards Summary
Objetivo: Los estudiantes serán capaces de describir cómo la estratificación térmica del lago y los niveles de oxígeno disuelto se relacionan con la capacidad de un lago para mantener la vida animal. Esta lección y actividad utilizan el ciclo de aprendizaje de las 5 E. Para obtener más información, consulte esta hoja de datos del modelo de instrucción 5E.
Objetivos
Al finalizar esta lección, los estudiantes podrán:
- Describir qué es la estratificación térmica y por qué algunos lagos de regiones templadas se estratifican.
- Resumir cómo la estratificación térmica del lago afecta al oxígeno disuelto.
- Construir e interpretar gráficos de oxígeno disuelto y profundidad del agua.
- Comprender y definir zonas hipóxicas, zonas anóxicas y zonas muertas.
- Discutir la importancia del oxígeno disuelto para los organismos.
- Comprender la conexión entre los aportes de nutrientes y las zonas muertas.
Términos a conocer al final de la lección:
- Oxígeno disuelto
- Turbo
- Difusión atmosférica
- Estratificación térmica
- Hipolimnion, metalimnion y epilimnion
- Productividad
- Zona hipóxica
- Zona anóxica
- Zona muerta
- Descomposición bacteriana
Contexto
Desde finales de primavera hasta principios de otoño, algunos lagos de climas templados experimentan estratificación térmica, un fenómeno en el que los lagos se separan en tres capas térmicas distintas (Figura 1). El calentamiento de la superficie del agua por el sol provoca variaciones en la densidad del agua e inicia la estratificación térmica. El agua más fría y densa se deposita en el fondo del lago formando el hipolimnio. Una capa de agua más caliente, llamada epilimnion, flota encima. Una fina capa intermedia llamada metalimnion (o termoclina) separa las capas superior e inferior y se caracteriza por un rápido cambio de la temperatura del agua. Esta separación suele ser lo suficientemente fuerte como para resistir la mezcla de las capas por el viento.
La estratificación térmica más extrema se produce en los lagos durante los meses cálidos del verano. Durante el recambio otoñal, el epilimnion se enfría, se hunde y cae por debajo de la termoclina, dando lugar a la mezcla. La estratificación térmica de un lago depende de su profundidad, forma y tamaño. Algunos lagos pequeños y poco profundos pueden no experimentar una estratificación térmica estacional porque el viento mezcla todo el lago. Otros lagos, como el lago Erie, tienen una combinación de ubicación geográfica y profundidad del agua que produce regularmente estratificación térmica.
Figura 1: Temperatura del agua y estratificación térmica del lago.
El oxígeno puede entrar en un lago a través de tres rutas diferentes. El principal mecanismo es la difusión atmosférica, donde el oxígeno del aire es absorbido por el agua de la superficie debido a una diferencia en las concentraciones de oxígeno. En segundo lugar, las plantas acuáticas realizan la fotosíntesis y liberan oxígeno en el agua. Por último, los ríos y arroyos aportan agua oxigenada al lago. En los lagos estratificados, el hipolimnio recibe poco oxígeno de la difusión atmosférica y es demasiado oscuro para mantener la vida vegetal productora de oxígeno. Los aportes fluviales sólo tienen un impacto mínimo en el contenido de oxígeno de grandes masas de agua como el lago Erie. Así, el hipolimnio profundo recibe muy poco oxígeno disuelto durante la estratificación térmica del verano.
Los lagos pueden describirse por su productividad. Esto se refiere a la cantidad de nutrientes disponibles en un lago y la producción primaria, o el crecimiento de plantas y algas, que soportan. La definición del estado trófico (nutrientes o crecimiento) es un medio para clasificar los lagos en función de sus niveles de productividad. Los niveles tróficos identificados son:
- Oligotrófico (olig-oh-trof-ik) – Un lago oligotrófico tiene bajas concentraciones de nutrientes y bajo crecimiento de plantas (por ejemplo, el Lago Superior). Normalmente se considera que tiene una baja productividad.
- Eutrófico (yoo-trof-ik) – Un lago eutrófico tiene altas concentraciones de nutrientes y un alto crecimiento de las plantas. (por ejemplo, el lago Erie). Se considera que tiene una alta productividad.
- Mesotrófico (meso-trof-ik) – Los lagos mesotróficos se sitúan entre los lagos eutróficos y los oligotróficos. Se considera que tienen una productividad media.
En los lagos eutróficos, como el lago Erie, crecen grandes floraciones de algas en la superficie durante el verano. Las algas necesitan grandes cantidades de nutrientes para formar estas floraciones. A medida que las algas mueren, la floración se hunde en el fondo y es descompuesta por las bacterias. La descomposición por bacterias, o la separación biológica de una sustancia en elementos más simples, requiere oxígeno. El consumo de oxígeno y la baja entrada de oxígeno en el hipolimnio se combinan para crear niveles de oxígeno extremadamente bajos durante la estratificación térmica.
Figura 2. Zonas muertas en el lago Erie entre 1970 y 2002.
Una vez que los niveles de oxígeno disuelto caen por debajo de 2mg/l, el agua se describe como hipóxica. A medida que se acerca a 0mg/l, se convierte en anóxica. Una zona muerta es un área dentro de un lago que es hipóxica o anóxica, y en la que pocos organismos pueden sobrevivir. Los organismos que consumen oxígeno en las zonas muertas se asfixian o abandonan la zona. Según las normas de calidad del agua de Michigan, se necesita una concentración mínima de oxígeno de 7 mg/l para los peces de agua fría y un mínimo de 5 mg/l para los peces de agua cálida (MDEQ, 1994).
Figura 3. Mapa de batimetría del lago Erie (Crédito:NOAA).
La cuenca central poco profunda del lago Erie experimenta zonas muertas. Los científicos de toda la cuenca de los Grandes Lagos vigilan el lago recogiendo y compartiendo datos sobre la calidad del agua para comprender mejor qué contribuye a la formación de las zonas muertas. Uno de los portales de datos más fáciles de usar es el proyecto Great Lakes FieldScope. Creado a través de una asociación entre Michigan Sea Grant y National Geographic, este proyecto reúne datos sobre la calidad del agua de la región de los Grandes Lagos y permite a los usuarios introducir sus propios datos o explorar los datos regionales sobre la calidad del agua mediante el uso de gráficos y mapas. El programa es fácil de usar y lo suficientemente robusto como para hacer investigaciones científicas básicas – perfecto para una lección introductoria sobre la estratificación térmica y las zonas muertas.
La siguiente lección es aplicable a los estudiantes de secundaria (grados 6-8). Explora los datos sobre la calidad del agua almacenados en la base de datos del proyecto FieldScope de los Grandes Lagos y utiliza herramientas analíticas y cartográficas interactivas basadas en FieldScope. Esta lección, junto con la hoja de trabajo de datos y la clave de la hoja de trabajo de datos, también se puede encontrar en el sitio web de Michigan Sea Grant en www.michiganseagrant.org/lessons/. Haga clic en la pestaña Explore Lessons & Data y luego busque Oxygen in Water.
Engage
Esta parte de la lección debe captar el interés de los estudiantes, conectar con el trabajo previo del curso si es posible e introducir el tema.
- Comience preguntando si alguno de los estudiantes ha nadado en un lago o estanque durante el verano y ha sentido el agua fría en sus pies. Si es así, es posible que hayan sentido la estratificación térmica. Pregunte a los alumnos si pueden definir la estratificación térmica y, a continuación, aclare en qué consiste utilizando la información de referencia anterior. Anime a los alumnos a hacer preguntas sobre por qué se estratifica el agua. Los educadores pueden relacionar la estratificación térmica con la estratificación que se produce con el aceite y el vinagre. El aceite y el vinagre tienen densidades diferentes, por lo que uno flota sobre el otro. Esto es similar al agua a diferentes temperaturas. El agua fría es más densa que el agua caliente. El agua más densa se hundirá y el agua más caliente flotará, creando así capas. Esta es una buena oportunidad para presentar la Figura 1 y dar la oportunidad a los alumnos de hacer preguntas.
- Pregunte si los alumnos conocen el oxígeno disuelto. Para ayudarles a entender la idea, pregunte si alguna vez han visto una piedra de burbujas en un acuario. Si es así, pregunte por qué se utilizan. Algunas respuestas podrían ser: Las piedras de burbujas hacen circular el agua y aumentan los niveles de oxígeno en los acuarios al introducir directamente oxígeno en el sistema y al aumentar la cantidad de agua que entra en contacto con el aire. Esto promueve la difusión atmosférica del oxígeno en el agua.
- Ahora discuta la difusión del aire a escala del lago. ¿De qué manera puede recibir oxígeno un lago? Discuta la información de fondo proporcionada anteriormente para que los estudiantes conozcan los tres métodos de difusión de oxígeno. La mayoría de los alumnos saben que las plantas producen oxígeno y los educadores pueden relacionar esta idea con el medio acuático. Pregunte a los alumnos por qué creen que el oxígeno disuelto es importante en un lago. Asegúrese de que los alumnos entienden que, al igual que los animales terrestres, los animales acuáticos necesitan oxígeno. Describa la cantidad de oxígeno que necesitan los peces de agua fría y de agua caliente. A continuación, explique cómo los niveles de oxígeno pueden ser muy bajos en determinadas épocas del año debido a la estratificación térmica. Introduzca el concepto de zonas muertas. Esta es una buena oportunidad para mostrar la Figura 2.
Explora & Explica
- Actividad: Cómo varía el oxígeno disuelto con la profundidad del lago y la estratificación térmica (con Great Lakes FieldScope)
Resumen: Los estudiantes serán capaces de describir cómo la estratificación térmica del lago y los niveles de oxígeno disuelto se relacionan con la capacidad de un lago para mantener la vida animal.
Tiempo: período de clase de 50 minutos.
Elaborar
En esta sección se proporciona a los estudiantes recursos adicionales sobre la hipoxia. Estos proporcionan información sobre cómo los niveles de oxígeno disuelto pueden afectar a servicios importantes como el agua potable y la recreación.
Recursos:
- Floraciones de algas nocivas e hipoxia
- Hoja informativa del lago Erie
- Sistema experimental de alerta de hipoxia
- Hoja informativa sobre la hipoxia
- ¿Qué es una zona muerta
- Qué causa una zona muerta?
Preguntas de debate:
- ¿Cómo pueden influir los niveles de oxígeno disuelto en los organismos que viven en un lago?
- ¿Cómo pueden afectar las actividades humanas a las zonas muertas?
- ¿Qué impactos tiene la hipoxia en el ecosistema/red alimentaria del lago Erie?
Los estudiantes deben combinar todo lo que han aprendido hasta este momento para desarrollar un mini informe y presentar sus resultados al resto de la clase. El informe puede incluir gráficos, respuestas a las preguntas de la hoja de trabajo y de la discusión, y la información obtenida de esta lección y de los recursos proporcionados a continuación.
Evaluar
La evaluación es continua. Esta sección de la lección y la actividad da al educador flexibilidad para evaluar y monitorear el progreso de los estudiantes.
Una forma de evaluar si los estudiantes entienden cómo se forman las zonas muertas es pedirles que creen un diagrama de los pasos involucrados en la creación de una zona muerta en un lago eutrófico. El diagrama podría consistir en cajas y flechas que fluyan a través de un lago. Empezaría con la entrada de nutrientes, seguida de una floración de algas que mueren y se hunden en el fondo. Por último, las bacterias descomponen las algas, lo que agota los niveles de oxígeno y conduce a la formación de una zona muerta. El diagrama también incluiría el epilimnion, el metalimnion y el hipolimnion.
Además, basándose en la actividad y en la discusión en clase, los estudiantes deberían ser capaces de:
- Describir qué es la estratificación térmica y por qué algunos lagos de regiones templadas se estratifican.
- Comprender cómo la estratificación térmica de los lagos afecta al oxígeno disuelto.
- Construir e interpretar gráficos de oxígeno disuelto y profundidad del agua.
- Comprender y definir zonas hipóxicas, zonas anóxicas y zonas muertas.
- Discutir la importancia del oxígeno disuelto para los organismos.
Actividades
- Cómo varía el oxígeno disuelto con la profundidad del lago y la estratificación térmica (con Great Lakes FieldScope)
Resumen: Los estudiantes serán capaces de describir cómo la estratificación térmica del lago y los niveles de oxígeno disuelto se relacionan con la capacidad de un lago para mantener la vida animal.
Tiempo: Un período de clase de 50 minutos. - Graficar las temperaturas
Resumen: Graficar las temperaturas del agua del Lago Erie desde la superficie hasta el fondo del lago.
Tiempo: Un período de clase de 50 minutos
Zonas muertas – Lección 3 Actividad A: Estándares y evaluación - Suministro de aire: Graficar el oxígeno disuelto
Resumen: Graficar el oxígeno disuelto desde la superficie hasta el fondo del lago Erie.
Tiempo: Dos períodos de clase de 50 minutos
Zonas muertas – Lección 3 Actividad B: Estándares y evaluación
Figuras adicionales &Recursos
- Batimetría del lago Erie
- Floraciones de algas nocivas e hipoxia
- Ficha del lago Erie
- Sistema experimental de alerta de hipoxia
- Ficha de hipoxia
- ¿Qué es una zona muerta?
- ¿Qué causa una zona muerta?
Lección &Fuentes de datos
Sistema de previsión costera de los Grandes Lagos. NOAA-Great Lakes Environmental Research Laboratory (GLERL) Ann Arbor, MI 48108. Autores: Schwab, DJ, Beletsky, D, Bedford, KW, Lang, GA.
Conjuntos de datos sobre el agua de los Grandes Lagos para profesores. Eastern Michigan University, Ypsilanti, MI 48197. Proyecto apoyado por la Oficina de Educación y Divulgación del Laboratorio de Investigación Ambiental de los Grandes Lagos de la NOAA, Ann Arbor, 48108. Autores: Rutherford, S, Coffman, M, Marshall, A, Sturtevant, R, Klang, G, Schwab, D, LaPorte, E.
Recursos educativos marinos de Luisiana – Puertas a la ciencia acuática. On Again, Off Again – The Dead Zone. Louisiana Sea Grant. Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803. Autores: Lindstedt, D.Website, accessed December 1, 2009.
Departamento de Calidad Ambiental de Michigan (MDEQ). 1994. Oxígeno disuelto. 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. Universidad de Minnesota-Duluth, Duluth, MN 55812. Autores: Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Sitio web, consultado el 1 de diciembre de 2009.