L’oxygène dissous et la stratification des lacs

L’oxygène est la clé de la vie – la plupart des organismes ne peuvent survivre sans lui, même ceux qui sont sous l’eau. Les régimes climatiques saisonniers et les propriétés physiques de l’eau peuvent affecter la température et les niveaux d’oxygène dissous dans toute la colonne d’eau. Pourquoi cela est-il important ? Parce que les schémas et cycles météorologiques saisonniers sont directement liés à la quantité de vie qu’un environnement aquatique peut supporter.

Niveaux scolaires : École intermédiaire 5e-8e année

Attentes en matière de performance :

• MS-ESS3-4 Terre et activité humaine : Construire un argument appuyé par des preuves sur la façon dont l’augmentation de la population humaine et de la consommation de ressources naturelles par habitant a un impact sur les systèmes de la Terre.
• MS-LS2-4 Écosystèmes : Interactions, énergie et dynamique : Construire un argument soutenu par des preuves empiriques que les changements aux composants physiques ou biologiques d’un écosystème affectent les populations.

Pour l’alignement, voir le résumé des normes scientifiques de la prochaine génération

But : Les élèves seront capables de décrire comment la stratification thermique du lac et les niveaux d’oxygène dissous sont liés à la capacité d’un lac à soutenir la vie animale. Cette leçon et cette activité utilisent le cycle d’apprentissage des 5 E. Pour en savoir plus, consultez cette fiche d’information sur le modèle pédagogique 5E.

Objectifs

À la fin de cette leçon, les élèves seront capables :

• Décrire ce qu’est la stratification thermique et pourquoi certains lacs des régions tempérées se stratifient.
• Sommer comment la stratification thermique des lacs affecte l’oxygène dissous.
• Construire et interpréter des graphiques d’oxygène dissous et de profondeur d’eau.
• Comprendre et définir les zones hypoxiques, les zones anoxiques et les zones mortes.
• Discuter de l’importance de l’oxygène dissous pour les organismes.
• Comprendre le lien entre les apports de nutriments et les zones mortes.

Termes à connaître d’ici la fin de la leçon :

• Oxygène dissous
• Turnover
• Diffusion atmosphérique
• Strattification thermique
• Hypolimnion, métalimnion et épilimnion
• Productivité
• Zone hypoxique
• Zone anoxique
• Zone morte
• Décomposition bactérienne

Fondamental

De la fin du printemps au début de l’automne, certains lacs des climats tempérés connaissent une stratification thermique, un phénomène par lequel les lacs se séparent en trois couches thermiques distinctes (figure 1). Le réchauffement de la surface de l’eau par le soleil provoque des variations de densité de l’eau et initie la stratification thermique. L’eau plus froide et plus dense se dépose au fond du lac, formant l’hypolimnion. Une couche d’eau plus chaude, appelée l’épilimnion, flotte au-dessus. Une fine couche intermédiaire appelée métalimnion (ou thermocline) sépare les couches supérieure et inférieure et se caractérise par un changement rapide de la température de l’eau. Cette séparation est souvent assez forte pour résister au mélange des couches par le vent.

La stratification thermique la plus extrême se produit à l’intérieur des lacs pendant les mois chauds de l’été. Pendant le renouvellement automnal, l’épilimnion se refroidit, s’enfonce et tombe sous la thermocline, ce qui entraîne un mélange. La stratification thermique d’un lac dépend de sa profondeur, de sa forme et de sa taille. Certains petits lacs peu profonds peuvent ne pas connaître de stratification thermique saisonnière parce que le vent mélange l’ensemble du lac. D’autres lacs, comme le lac Érié, ont une combinaison d’emplacement géographique et de profondeur d’eau qui produit régulièrement une stratification thermique.

Figure 1 : Température de l’eau et stratification thermique du lac.

L’oxygène peut entrer dans un lac par trois voies différentes. Le principal mécanisme est la diffusion atmosphérique où l’oxygène présent dans l’air est absorbé par les eaux de surface en raison d’une différence de concentration en oxygène. Ensuite, les plantes aquatiques réalisent la photosynthèse et libèrent de l’oxygène dans l’eau. Enfin, les rivières et les ruisseaux apportent de l’eau oxygénée dans le lac. Dans les lacs stratifiés, l’hypolimnion reçoit peu d’oxygène par diffusion atmosphérique et est trop sombre pour accueillir une vie végétale productrice d’oxygène. L’apport fluvial n’a qu’un impact minime sur la teneur en oxygène des grandes masses d’eau comme le lac Érié. Ainsi, l’hypolimnion profond reçoit très peu d’oxygène dissous pendant la stratification thermique estivale.

Les lacs peuvent être décrits par leur productivité. Cela fait référence à la quantité de nutriments disponibles dans un lac et à la production primaire, ou à la croissance des plantes et des algues, qu’ils supportent. La définition du statut trophique (nutriments ou croissance) est un moyen de classer les lacs en fonction de leur niveau de productivité. Les niveaux trophiques identifiés sont :

• Oligotrophique (olig-oh-trof-ik) – Un lac oligotrophe présente de faibles concentrations de nutriments et une faible croissance végétale (par exemple, le lac Supérieur). Il est généralement considéré comme ayant une faible productivité.
• Eutrophique (yoo-trof-ik) – Un lac eutrophique a des concentrations élevées de nutriments et une forte croissance végétale. (par exemple, le lac Érié). Il est considéré comme ayant une productivité élevée.
• Mésotrophe (meso-trof-ik) – Les lacs mésotrophes se situent entre les lacs eutrophes et oligotrophes. Ils sont considérés comme ayant une productivité moyenne.

Dans les lacs eutrophes, comme le lac Érié, de grandes efflorescences d’algues se développent à la surface pendant l’été. Les algues ont besoin de grandes quantités de nutriments pour former ces efflorescences. Lorsque les algues meurent, la fleur d’eau coule au fond et est décomposée par les bactéries. La décomposition par les bactéries, ou la séparation biologique d’une substance en éléments plus simples, nécessite de l’oxygène. La consommation d’oxygène et le faible apport d’oxygène dans l’hypolimnion se combinent pour créer des niveaux d’oxygène extrêmement bas pendant la stratification thermique.

Figure 2. Zones mortes dans le lac Érié de 1970 à 2002.

Lorsque le taux d’oxygène dissous descend en dessous de 2mg/l, l’eau est décrite comme hypoxique. Lorsqu’elle s’approche de 0mg/l, elle devient anoxique. Une zone morte est une zone dans un lac qui est soit hypoxique soit anoxique, et dans laquelle peu d’organismes peuvent survivre. Les organismes qui consomment de l’oxygène dans les zones mortes suffoquent ou quittent la zone. Selon les normes de qualité de l’eau du Michigan, une concentration minimale d’oxygène de 7mg/l est nécessaire pour les poissons d’eau froide et un minimum de 5 mg/l est nécessaire pour les poissons d’eau chaude (MDEQ, 1994).

Figure 3. Carte de bathymétrie du lac Érié (Crédit:NOAA).

Le bassin central peu profond du lac Érié connaît des zones mortes. Les scientifiques du bassin des Grands Lacs surveillent le lac en recueillant et en partageant des données sur la qualité de l’eau afin de mieux comprendre ce qui contribue à la formation des zones mortes. L’un des portails de données les plus conviviaux est le projet Great Lakes FieldScope. Créé grâce à un partenariat entre Michigan Sea Grant et National Geographic, ce projet recueille des données sur la qualité de l’eau dans la région des Grands Lacs et permet aux utilisateurs de saisir leurs propres données ou d’explorer les données régionales sur la qualité de l’eau à l’aide de graphiques et de cartes. Le programme est convivial et suffisamment robuste pour effectuer des enquêtes scientifiques de base – parfait pour une leçon d’introduction à la stratification thermique et aux zones mortes.

La leçon suivante s’applique aux élèves de l’école intermédiaire (classes 6-8). Elle explore les données sur la qualité de l’eau stockées dans la base de données du projet FieldScope des Grands Lacs et utilise les outils interactifs d’analyse et de cartographie basés sur FieldScope. Cette leçon, ainsi que la feuille de calcul des données et la clé de la feuille de calcul des données, sont également disponibles sur le site Web de Michigan Sea Grant à l’adresse www.michiganseagrant.org/lessons/. Cliquez sur l’onglet Explore Lessons & Data puis recherchez Oxygène dans l’eau.

Engage

Cette partie de la leçon doit capter l’intérêt des élèves, faire le lien avec les travaux de cours précédents si possible et introduire le sujet.

1. Commencez par demander si certains élèves ont nagé dans un lac ou un étang pendant l’été et ont senti de l’eau froide à leurs pieds. Si c’est le cas, ils ont peut-être ressenti une stratification thermique. Demandez aux élèves s’ils peuvent définir la stratification thermique, puis clarifiez ce qu’elle est en utilisant les informations générales ci-dessus. Encouragez les élèves à poser des questions sur les raisons de la stratification de l’eau. Les éducateurs peuvent établir un lien entre la stratification thermique et la stratification qui se produit avec l’huile et le vinaigre. L’huile et le vinaigre ont des densités différentes, ce qui fait que l’un flotte sur l’autre. Ce phénomène est similaire à celui de l’eau à différentes températures. L’eau froide est plus dense que l’eau chaude. L’eau plus dense va couler et l’eau plus chaude va flotter, créant ainsi des couches. C’est une bonne occasion de présenter la figure 1 et de donner l’occasion aux élèves de poser des questions.

1. Demandez si les élèves connaissent l’oxygène dissous. Pour les aider à comprendre l’idée, demandez-leur s’ils ont déjà vu une pierre à bulles dans un aquarium. Si oui, demandez-leur pourquoi on les utilise. Voici quelques réponses possibles : Les pierres à bulles font circuler l’eau et augmentent les niveaux d’oxygène dans les aquariums en introduisant directement de l’oxygène dans le système et en augmentant la quantité d’eau entrant en contact avec l’air. Cela favorise la diffusion atmosphérique de l’oxygène dans l’eau.

1. Discutez maintenant de la diffusion de l’air à l’échelle du lac. De quelles manières un lac pourrait-il recevoir de l’oxygène ? Discutez des informations de base fournies ci-dessus afin que les élèves connaissent les trois méthodes de diffusion de l’oxygène. La plupart des élèves savent que les plantes produisent de l’oxygène, et les éducateurs peuvent relier cette idée à l’environnement aquatique. Demandez aux élèves pourquoi ils pensent que l’oxygène dissous est important dans un lac. Assurez-vous que les élèves comprennent que, comme les animaux terrestres, les animaux aquatiques ont besoin d’oxygène. Décrivez la quantité d’oxygène dont les poissons d’eau froide et d’eau chaude ont besoin. Expliquez ensuite comment les niveaux d’oxygène peuvent devenir très bas à certaines périodes de l’année en raison de la stratification thermique. Introduisez le concept de zone morte. C’est une bonne occasion d’afficher la figure 2.

Explorer &Expliquer

• Activité : Comment l’oxygène dissous varie avec la profondeur du lac et la stratification thermique (avec Great Lakes FieldScope)
  Résumé : Les élèves seront en mesure de décrire comment la stratification thermique du lac et les niveaux d’oxygène dissous sont liés à la capacité d’un lac à soutenir la vie animale.
  Temps : période de classe de 50 minutes.

Elaborer

Dans cette section, les élèves reçoivent des ressources supplémentaires sur l’hypoxie. Celles-ci fournissent des informations sur la façon dont les niveaux d’oxygène dissous peuvent avoir un impact sur des services importants tels que l’eau potable et les loisirs.

Ressources :

• Fleurs d’algues nuisibles et hypoxie
• Fiche d’information sur le lac Érié
• Système expérimental d’alerte à l’hypoxie
• Fiche d’information sur l’hypoxie
• Qu’est-ce qu’une zone morte
• Qu’est-ce qui cause une zone morte ?

Questions à débattre :

• Comment les niveaux d’oxygène dissous peuvent-ils influencer les organismes vivant dans un lac ?
• Comment les activités humaines peuvent-elles affecter les zones mortes ?
• Quels sont les impacts de l’hypoxie sur l’écosystème/réseau alimentaire du lac Érié ?

Les élèves doivent combiner tout ce qu’ils ont appris jusqu’à ce point pour développer un mini rapport et présenter leurs résultats au reste de la classe. Le rapport pourrait inclure des graphiques, des réponses aux questions de la feuille de travail et de la discussion, ainsi que des informations obtenues à partir de cette leçon et des ressources fournies ci-dessous.

Évaluer

L’évaluation est continue. Cette section de la leçon et de l’activité donne à l’éducateur une certaine souplesse pour évaluer et suivre les progrès des élèves.

Une façon d’évaluer si les élèves comprennent comment se forment les zones mortes est de leur demander de créer un diagramme des étapes de la création d’une zone morte dans un lac eutrophe. Le diagramme pourrait être constitué de boîtes et de flèches traversant un lac. Il commencerait par un apport de nutriments, suivi d’une prolifération d’algues qui meurent et coulent au fond. Enfin, les bactéries décomposent les algues, ce qui appauvrit les niveaux d’oxygène et conduit à la formation d’une zone morte. Le diagramme comprendrait également l’épilimnion, le métalimnion et l’hypolimnion.

En outre, en fonction de l’activité et de la discussion en classe, les élèves devraient être en mesure de :

• Décrire ce qu’est la stratification thermique et pourquoi certains lacs des régions tempérées se stratifient.
• Comprendre comment la stratification thermique des lacs affecte l’oxygène dissous.
• Construire et interpréter des graphiques d’oxygène dissous et de profondeur d’eau.
• Comprendre et définir les zones hypoxiques, les zones anoxiques et les zones mortes.
• Discuter de l’importance de l’oxygène dissous pour les organismes.

Activités

• Comment l’oxygène dissous varie avec la profondeur du lac et la stratification thermique (avec Great Lakes FieldScope)
  Sommaire : Les élèves seront en mesure de décrire comment la stratification thermique du lac et les niveaux d’oxygène dissous sont liés à la capacité d’un lac à soutenir la vie animale.
  Temps : période de classe de 50 minutes.
• Graphique des températures
  Résumé : Faire un graphique des températures de l’eau du lac Érié de la surface au fond du lac.
  Temps : Une période de classe de 50 minutes
  Zones mortes – Leçon 3 Activité A : Normes et évaluation
• Apport d’air : Graphique de l’oxygène dissous
  Sommaire : Faites un graphique de l’oxygène dissous de la surface au fond du lac Érié.
  Temps : Deux périodes de classe de 50 minutes
  Zones mortes – Leçon 3 Activité B : Normes et évaluation

Figures supplémentaires & Ressources

• Bathymétrie du lac Érié
• Floraisons algales nuisibles. et hypoxie
• Fiche d’information sur le lac Érié
• Système d’alerte expérimental d’hypoxie
• Fiche d’information sur l’hypoxie
• Qu’est-ce qu’une zone morte ?
• Qu’est-ce qui cause une zone morte ?

La leçon &Sources de données

Système de prévision côtière des Grands Lacs. NOAA-Great Lakes Environmental Research Laboratory (GLERL) Ann Arbor, MI 48108. Auteurs : Schwab, DJ, Beletsky, D, Bedford, KW, Lang, GA.

Ensembles de données sur l’eau des Grands Lacs pour les enseignants. Eastern Michigan University, Ypsilanti, MI 48197. Projet soutenu par le Bureau de l’éducation et de la vulgarisation du Laboratoire de recherche environnementale des Grands Lacs de la NOAA, Ann Arbor, 48108. Auteurs : 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 – La zone morte. Louisiana Sea Grant. Université d’État de la Louisiane, Baton Rouge, LA 70803. Auteurs : Lindstedt, D.Site Web, consulté le 1er décembre 2009.

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

L’eau sur le Web – Surveillance des lacs du Minnesota sur Internet et formation de techniciens en sciences de l’eau pour l’avenir – Un programme national en ligne utilisant des technologies avancées et des données en temps réel. Université du Minnesota-Duluth, Duluth, MN 55812. Auteurs : Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Site Web, consulté le 1er décembre 2009.