Liuennut happi ja järvien kerrostuminen

Happi on elämän avain – useimmat eliöt eivät voi selviytyä ilman sitä, eivät edes veden alla. Vuodenaikaiset säämallit ja veden fysikaaliset ominaisuudet voivat vaikuttaa lämpötilaan ja liuenneen hapen määrään koko vesipatsaassa. Miksi tämä on tärkeää? Koska kausittaiset säämallit ja syklit ovat suoraan yhteydessä siihen, kuinka paljon elämää vesiympäristö voi ylläpitää.

Tasot: Keskikoulu 5.-8. luokka

Suorituskyvyn odotukset:

• MS-ESS3-4 Earth and Human Activity: Rakentaa todistusaineistolla tuettu väite siitä, miten ihmisväestön kasvu ja luonnonvarojen kulutus henkeä kohti vaikuttavat maapallon järjestelmiin.
• MS-LS2-4 Ekosysteemit: Vuorovaikutukset, energia ja dynamiikka: Rakentaa empiirisellä todistusaineistolla tuettu väite siitä, että ekosysteemin fysikaalisten tai biologisten komponenttien muutokset vaikuttavat populaatioihin.

Kohdistaminen, ks. seuraavan sukupolven luonnontieteiden standardien yhteenveto

Tavoite: Oppilaat osaavat kuvata, miten järven lämpökerrostuneisuus ja liuenneen hapen määrä liittyvät järven kykyyn ylläpitää eläimistöä. Tässä oppitunnissa ja toiminnassa hyödynnetään 5 E:n oppimissykliä. Jos haluat lisätietoja, tutustu tähän 5E-opetusmallin tietolomakkeeseen.

Tavoitteet

Tämän oppitunnin jälkeen oppilaat osaavat:

• Kuvailla, mitä lämpökerrostuneisuus on ja miksi jotkin lauhkean ilmaston alueiden järvet kerrostuvat.
• Yhteenvetoa siitä, miten järven lämpökerrostuneisuus vaikuttaa liuenneeseen happeen.
• Rakentaa ja tulkita liuenneen hapen ja veden syvyyden kuvaajia.
• Ymmärtää ja määritellä hypoksiset vyöhykkeet, anoksiset vyöhykkeet ja kuolleet vyöhykkeet.
• Keskustella liuenneen hapen merkityksestä eliöille.
• Ymmärtää ravinnepäästöjen ja kuolleiden vyöhykkeiden välisen yhteyden.

Termit, jotka tulee tuntea oppitunnin loppuun mennessä:

• Liuennut happi
• Turnover
• Atmosfäärinen diffuusio
• Lämpökerrostuminen
• Hypolimnion, metalimnion ja epilimnion
• Tuottavuus
• Hypoksinen vyöhyke
• Anoksinen vyöhyke
• Kuollut vyöhyke
• Bakteeriperäinen hajoaminen

Taustatieto

Loppukeväästä alkusyksyyn, joissakin lauhkean ilmaston järvissä esiintyy lämpökerrostuneisuutta, ilmiötä, jossa järvet jakautuvat kolmeen eri lämpökerrokseen (kuva 1). Auringon lämmittämä veden pinnan lämpeneminen aiheuttaa veden tiheyden vaihtelua ja käynnistää lämpökerrostumisen. Viileämpi ja tiheämpi vesi laskeutuu järven pohjalle ja muodostaa hypolimnionin. Lämpimän veden kerros, jota kutsutaan epilimnioniksi, kelluu sen päällä. Ohut keskikerros, jota kutsutaan metalimnioniksi (tai termokliiniksi), erottaa ylä- ja pohjakerroksen toisistaan, ja sille on ominaista veden lämpötilan nopea vaihtelu. Tämä erottelu on usein niin vahva, että se kestää tuulen aiheuttaman kerrosten sekoittumisen.

Erittäin äärimmäistä lämpökerrostuneisuutta esiintyy järvissä lämpiminä kesäkuukausina. Syksyn vaihtelun aikana epilimnion jäähtyy, vajoaa ja laskee termokliinin alapuolelle, mikä johtaa sekoittumiseen. Järven lämpökerrostuneisuus riippuu järven syvyydestä, muodosta ja koosta. Joissakin pienissä, matalissa järvissä ei välttämättä esiinny kausittaista lämpökerrostuneisuutta, koska tuuli sekoittaa koko järven. Toisissa järvissä, kuten Erie-järvessä, maantieteellisen sijainnin ja veden syvyyden yhdistelmä aiheuttaa säännöllisesti lämpökerrostuneisuutta.

Kuvio 1: Veden lämpötila ja järven lämpökerrostuneisuus.

Happea voi tulla järveen kolmea eri reittiä. Tärkein mekanismi on ilmakehän diffuusio, jossa ilmassa oleva happi imeytyy pintaveteen happipitoisuuseron vuoksi. Toiseksi vesikasvit fotosyntetisoivat ja vapauttavat happea veteen. Lopuksi joet ja purot tuovat hapekasta vettä järveen. Kerrostuneissa järvissä hypolimnion saa vain vähän happea ilmakehän diffuusiosta, ja se on liian pimeä ylläpitämään happea tuottavia kasveja. Jokien tulo vaikuttaa vain vähän Erie-järven kaltaisten suurten vesistöjen happipitoisuuteen. Näin ollen syvä hypolimnion saa hyvin vähän liuennutta happea kesän lämpökerrostuneisuuden aikana.

Järviä voidaan kuvata niiden tuottavuuden perusteella. Tällä tarkoitetaan järvessä käytettävissä olevien ravinteiden määrää ja niiden tukemaa alkutuotantoa eli kasvien ja levien kasvua. Trofisen (ravinne- tai kasvu-) tilan määrittely on keino luokitella järviä niiden tuottavuuden mukaan. Tunnistetut trofiatasot ovat:

• Oligotrofinen (olig-oh-trof-ik) – Oligotrofisessa järvessä on alhaiset ravinnepitoisuudet ja vähäinen kasvien kasvu (esim. Yläjärvi). Sen tuottavuutta pidetään yleensä alhaisena.
• Eutrofinen (yoo-trof-ik) – Eutrofisessa järvessä on korkeat ravinnepitoisuudet ja korkea kasvien kasvu. (esim. Erie-järvi). Sen tuottavuutta pidetään korkeana.
• Mesotrofinen (meso-trof-ik) – Mesotrofiset järvet sijoittuvat eutrofisten ja oligotrofisten järvien väliin. Niiden tuottavuutta pidetään keskinkertaisena.

Eutrofisissa järvissä, kuten Erie-järvessä, kesällä pinnalla kasvaa suuria leväkukintoja. Levät tarvitsevat suuria määriä ravinteita muodostaakseen näitä kukintoja. Kun levät kuolevat, kukinto vajoaa pohjaan ja bakteerit hajottavat sen. Bakteerien suorittama hajoaminen eli aineen biologinen hajottaminen yksinkertaisempiin aineosiin vaatii happea. Hapenkulutus ja hypolimnionin vähäinen hapen saanti aiheuttavat yhdessä erittäin alhaiset happipitoisuudet lämpökerrostumisen aikana.

Kuva 2. Kuolleet vyöhykkeet Erie-järvessä vuosina 1970-2002.

Kun liuenneen hapen määrä laskee alle 2 mg/l, vettä kutsutaan hypoksiseksi. Kun se lähestyy 0 mg/l, se muuttuu anoksiseksi. Kuollut vyöhyke on alue järvessä, joka on joko hypoksinen tai anoksinen ja jossa vain harvat eliöt voivat selviytyä. Happea kuluttavat eliöt kuolleilla vyöhykkeillä joko tukehtuvat tai poistuvat alueelta. Michiganin vedenlaatunormien mukaan kylmän veden kaloille tarvitaan vähintään 7 mg/l:n happipitoisuus ja lämpimän veden kaloille vähintään 5 mg/l:n happipitoisuus (MDEQ, 1994).

Kuvio 3. Happipitoisuus. Lake Erie Bathymetry Map (Credit:NOAA).

Eri-järven matalassa keskusaltaassa esiintyy kuolleita alueita. Tutkijat eri puolilla Suurten järvien allasta seuraavat järveä keräämällä ja jakamalla vedenlaatutietoja ymmärtääkseen paremmin, mikä vaikuttaa kuolleiden vyöhykkeiden muodostumiseen. Yksi käyttäjäystävällisimmistä tietoportaaleista on Great Lakes FieldScope -hanke. Michigan Sea Grantin ja National Geographicin yhteistyönä luotu hanke kerää vedenlaatutietoja Suurten järvien alueelta, ja sen avulla käyttäjät voivat syöttää omia tietojaan tai tutkia alueellisia vedenlaatutietoja kaavioiden ja karttojen avulla. Ohjelma on käyttäjäystävällinen ja riittävän vankka tieteellisten perustutkimusten tekemiseen – se sopii erinomaisesti lämpökerrostumista ja kuolleita vyöhykkeitä käsittelevälle johdantotunnille.

Seuraava oppitunti soveltuu yläkoululaisille (luokat 6-8). Siinä tutkitaan Great Lakes FieldScope -hankkeen tietokantaan tallennettuja vedenlaatutietoja ja käytetään FieldScope-pohjaisia interaktiivisia analyysi- ja kartoitustyökaluja. Tämä oppitunti sekä datatietolomake ja datatietolomakkeen avain löytyvät myös Michigan Sea Grantin verkkosivuilta osoitteesta www.michiganseagrant.org/lessons/. Napsauta Explore Lessons & Data-välilehteä ja etsi sitten Oxygen in Water.

Engage

Tämän oppitunnin osan tulisi herättää oppilaiden mielenkiinto, liittää mahdollisuuksien mukaan aiempiin kurssitöihin ja esitellä aihe.

1. Aloita kysymällä, onko kukaan oppilaista uinut järvessä tai lammessa kesällä ja tuntenut kylmää vettä jalkojensa alla. Jos näin on, he ovat saattaneet tuntea lämpökerrostuneisuutta. Kysy oppilailta, osaavatko he määritellä lämpökerrostuneisuuden, ja selventäkää sitten, mitä se on, käyttämällä yllä olevia taustatietoja. Kannusta oppilaita esittämään kysymyksiä siitä, miksi vesi kerrostuu. Opettajat voivat liittää lämpökerrostumisen kerrostumiseen, jota tapahtuu öljyn ja etikan kanssa. Öljyn ja etikan tiheys on erilainen, joten toinen kelluu toisen päällä. Tämä on samanlaista kuin vesi eri lämpötiloissa. Kylmä vesi on tiheämpää kuin lämmin vesi. Tiheämpi vesi uppoaa ja lämpimämpi vesi kelluu, jolloin syntyy kerroksia. Tämä on hyvä tilaisuus esitellä kuva 1 ja antaa oppilaille mahdollisuus esittää kysymyksiä.

1. Kysy, tietävätkö oppilaat liuenneesta hapesta. Jotta he ymmärtäisivät ajatuksen, kysy, ovatko he koskaan nähneet kuplakiveä akvaariossa. Jos on, kysy, miksi niitä käytetään. Joitakin vastauksia voivat olla mm: Kuplakivet kierrättävät vettä ja lisäävät happipitoisuutta akvaariossa syöttämällä suoraan happea järjestelmään ja lisäämällä ilman kanssa kosketuksiin joutuvan veden määrää. Tämä edistää hapen diffuusiota ilmakehästä veteen.

1. Keskustelkaa nyt ilman diffuusiosta järvimittakaavassa. Millä tavoin järvi voi saada happea? Keskustelkaa edellä annetuista taustatiedoista, jotta oppilaat tietävät hapen diffuusion kolmesta tavasta. Useimmat oppilaat tietävät, että kasvit tuottavat happea, ja opettajat voivat yhdistää tämän ajatuksen vesiympäristöön. Kysy oppilailta, miksi he saattavat ajatella, että liuennut happi on tärkeää järvessä. Varmista, että oppilaat ymmärtävät, että maaeläinten tavoin myös vesieläimet tarvitsevat happea. Kuvaile, kuinka paljon happea kylmän veden ja lämpimän veden kalat tarvitsevat. Selitä sitten, miten happipitoisuus voi olla hyvin alhainen tiettyinä vuodenaikoina lämpökerrostumisen vuoksi. Esittele kuolleiden alueiden käsite. Tämä on hyvä tilaisuus näyttää kuva 2.

Explore & Explain

• Activity: Miten liuennut happi vaihtelee järven syvyyden ja lämpökerrostuneisuuden mukaan (Great Lakes FieldScope -ohjelmalla)
  Yhteenveto: Oppilaat pystyvät kuvaamaan, miten järven lämpökerrostuneisuus ja liuenneen hapen määrä liittyvät järven kykyyn elättää eläimistöä.
  Aika: 50 minuutin luokkatunti.

Elaboroi

Tässä osiossa oppilaat saavat lisäresursseja hypoxiasta. Niistä löytyy tietoa siitä, miten liuenneen hapen määrä voi vaikuttaa tärkeisiin palveluihin, kuten juomaveteen ja virkistyskäyttöön.

Lähteet:

• Harmful Algal Blooms and Hypoxia
• Lake Erie Factsheet
• Experimental Hypoxia Warning System
• Hypoxia Factsheet
• Mikä on kuollut vyöhyke
• Miten kuollut vyöhyke syntyy?

Keskustelukysymykset:

• Miten liuenneen hapen määrä voi vaikuttaa järvessä eläviin eliöihin?
• Miten ihmisen toiminta voi vaikuttaa kuolleisiin alueisiin?
• Millaisia vaikutuksia hypoksialla on Erie-järven ekosysteemiin/ruokaverkkoon?

Opiskelijoiden tulisi yhdistää kaikki tähän mennessä oppimansa asiat miniraportiksi ja esitellä tulokset muulle luokalle. Raportti voi sisältää kuvaajia, vastauksia työtaulukkoon ja keskustelukysymyksiin sekä tästä oppitunnista ja alla olevista lähteistä saatuja tietoja.

Arviointi

Arviointi on käynnissä. Tämä oppitunnin ja toiminnan osa antaa kouluttajalle joustavuutta arvioida ja seurata oppilaiden edistymistä.

Yksi tapa arvioida, ymmärtävätkö oppilaat, miten kuolleet vyöhykkeet muodostuvat, on pyytää heitä luomaan kaavio vaiheista, jotka liittyvät kuolleen vyöhykkeen muodostumiseen rehevöityneessä järvessä. Kaavio voi koostua laatikoista ja nuolista, jotka kulkevat järven läpi. Kaavio alkaisi ravinteiden syötöllä, jota seuraisi leväkukinta, joka kuolee ja vajoaa pohjaan. Lopuksi bakteerit hajottavat levää, mikä vähentää happipitoisuuksia ja johtaa kuolleen vyöhykkeen muodostumiseen. Kaavio sisältäisi myös epilimnionin, metalimnionin ja hypolimnionin.

Tehtävän ja luokkakeskustelun perusteella oppilaiden tulisi lisäksi osata:

• Kuvailla, mitä lämpökerrostuneisuus on ja miksi jotkin lauhkeilla alueilla sijaitsevat järvet kerrostuvat.
• Ymmärtää, miten järvien lämpökerrostuneisuus vaikuttaa liuenneeseen happeen.
• Rakentaa ja tulkita liuenneen hapen ja veden syvyyden kuvaajia.
• Ymmärtää ja määritellä hypoksiset vyöhykkeet, anoksiset vyöhykkeet ja kuolleet vyöhykkeet.
• Keskustella liuenneen hapen merkityksestä eliöille.

Activities

• Miten liuennut happi vaihtelee järven syvyyden ja lämpökerrostuneisuuden mukaan (Great Lakes FieldScope -ohjelmalla)
  Yhteenveto: Opiskelijat osaavat kuvata, miten järven lämpökerrostuneisuus ja liuenneen hapen määrä liittyvät järven kykyyn ylläpitää eläimistöä.
  Aika: 50 minuutin luokkatunti.
• Lämpötilojen kuvaaminen
  Yhteenveto: Kuvaavat Erie-järven veden lämpötiloja järven pinnasta pohjaan.
  Aika: Yksi 50 minuutin luokkatunti
  Kuolleet alueet – Oppitunti 3 Tehtävä A: Standardit ja arviointi
• Ilmansaanti: Liuenneen hapen kuvaaminen
  Yhteenveto: Tee kuvaaja liuenneesta hapesta Erie-järven pinnasta pohjaan.
  Aika: Kaksi 50 minuutin oppituntia
  Kuolleet alueet – Oppitunti 3 Tehtävä B: Standardit ja arviointi

Lisäkuviot & Lähteet

• Erie-järven syvyysmittaus
• Harmful Algal Blooms (haitalliset leväkukinnat) and Hypoxia
• Lake Erie Factsheet
• Experimental Hypoxia Warning System
• Hypoxia Factsheet
• What is a dead zone?
• Mikä aiheuttaa kuolleen vyöhykkeen?

Luento & Tietolähteet

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

Great Lakes Water Data Sets for Teachers. Eastern Michigan University, Ypsilanti, MI 48197. NOAA:n Suurten järvien ympäristötutkimuslaboratorion (Great Lakes Environmental Research Laboratory, Ann Arbor, 48108) koulutus- ja tiedotustoimiston tukema hanke. Kirjoittajat: 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 – Kuollut alue. Louisiana Sea Grant. Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803. Kirjoittajat: Lindstedt, D.Website, accessed December 1, 2009.

Michigan Department of Environmental Quality (MDEQ). 1994. Dissolved Oxygen. 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. University of Minnesota-Duluth, Duluth, MN 55812. Kirjoittajat: Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Verkkosivusto, viitattu 1. joulukuuta 2009.

.