Ossigeno disciolto e stratificazione del lago

L’ossigeno è la chiave della vita – la maggior parte degli organismi non può sopravvivere senza di esso, anche quelli sott’acqua. I modelli meteorologici stagionali e le proprietà fisiche dell’acqua possono influenzare la temperatura e i livelli di ossigeno disciolto in tutta la colonna d’acqua. Perché questo è importante? Perché i modelli e i cicli meteorologici stagionali sono direttamente collegati alla quantità di vita che un ambiente acquatico può sostenere.

Livelli di istruzione: Middle School 5th-8th grade

Performance Expectations:

• MS-ESS3-4 Terra e attività umana: Costruire un’argomentazione supportata da prove su come l’aumento della popolazione umana e il consumo pro-capite di risorse naturali abbiano un impatto sui sistemi della Terra.
• MS-LS2-4 Ecosistemi: Interazioni, energia e dinamica:

Per l’allineamento, vedi Next Generation Science Standards Summary

Obiettivo: Gli studenti saranno in grado di descrivere come la stratificazione termica di un lago e i livelli di ossigeno disciolto siano legati alla capacità di un lago di sostenere la vita animale. Questa lezione e attività utilizzano il ciclo di apprendimento delle 5 E. Per saperne di più, date un’occhiata a questo Factsheet del modello educativo delle 5 E.

Obiettivi

Al completamento di questa lezione, gli studenti saranno in grado di:

• Descrivere cos’è la stratificazione termica e perché alcuni laghi nelle regioni temperate si stratificano.
• Sintetizzare come la stratificazione termica del lago influisce sull’ossigeno dissolto.
• Costruisci e interpreta i grafici dell’ossigeno disciolto e della profondità dell’acqua.
• Comprendi e definisci le zone ipossiche, le zone anossiche e le zone morte.
• Discuti l’importanza dell’ossigeno disciolto per gli organismi.
• Comprendi la connessione tra gli apporti di nutrienti e le zone morte.

Termini da conoscere entro la fine della lezione:

• Ossigeno disciolto
• Turnover
• Diffusione atmosferica
• Stratificazione termica
• Hypolimnion, metalimnio ed epilimnio
• Produttività
• Zona ipossica
• Zona anossica
• Zona morta
• Decomposizione batterica

Sfondo

Dalla tarda primavera all’inizio dell’autunno, alcuni laghi nei climi temperati sperimentano la stratificazione termica, un fenomeno in cui i laghi si separano in tre strati termici distinti (Figura 1). Il riscaldamento della superficie dell’acqua da parte del sole causa variazioni di densità dell’acqua e avvia la stratificazione termica. L’acqua più fredda e densa si deposita sul fondo del lago formando l’ipolimnio. Uno strato di acqua più calda, chiamato epilimnio, galleggia sopra. Un sottile strato intermedio chiamato metalimnio (o termoclino) separa gli strati superiore e inferiore ed è caratterizzato da un rapido cambiamento della temperatura dell’acqua. Questa separazione è spesso abbastanza forte da resistere alla miscelazione degli strati da parte del vento.

La stratificazione termica più estrema si verifica nei laghi durante i caldi mesi estivi. Durante il ricambio autunnale, l’epilimnio si raffredda, affonda e cade sotto il termoclino, con conseguente miscelazione. La stratificazione termica di un lago dipende dalla profondità, dalla forma e dalle dimensioni del lago. Alcuni laghi piccoli e poco profondi possono non sperimentare la stratificazione termica stagionale perché il vento mescola l’intero lago. Altri laghi, come il lago Erie, hanno una combinazione di posizione geografica e profondità dell’acqua che produce regolarmente la stratificazione termica.

Figura 1: Temperatura dell’acqua e stratificazione termica del lago.

L’ossigeno può entrare in un lago attraverso tre vie diverse. Il meccanismo principale è la diffusione atmosferica dove l’ossigeno nell’aria è assorbito dall’acqua superficiale a causa di una differenza nelle concentrazioni di ossigeno. In secondo luogo, le piante acquatiche fotosintetizzano e rilasciano ossigeno nell’acqua. Infine, i fiumi e i torrenti portano l’acqua ossigenata nel lago. Nei laghi stratificati, l’ipolimnio riceve poco ossigeno dalla diffusione atmosferica ed è troppo scuro per sostenere la vita vegetale che produce ossigeno. L’input fluviale ha solo impatti minimi sul contenuto di ossigeno di grandi corpi idrici come il lago Erie. Così, l’ipolimnio profondo riceve molto poco ossigeno disciolto durante la stratificazione termica estiva.

I laghi possono essere descritti dalla loro produttività. Questo si riferisce alla quantità di nutrienti disponibili in un lago e alla produzione primaria, o crescita di piante e alghe, che supportano. La definizione dello stato trofico (nutrienti o crescita) è un mezzo per classificare i laghi in termini di livelli di produttività. I livelli trofici identificati sono:

• Oligotrofico (olig-oh-trof-ik) – Un lago oligotrofico ha basse concentrazioni di nutrienti e bassa crescita delle piante (per esempio, il lago Superiore). Di solito è considerato a bassa produttività.
• Eutrofico (yoo-trof-ik) – Un lago eutrofico ha alte concentrazioni di nutrienti e alta crescita delle piante. (per esempio, il lago Erie). È considerato avere un’alta produttività.
• Mesotrofico (meso-trof-ik) – I laghi mesotrofici sono a metà strada tra i laghi eutrofici e quelli oligotrofici. Sono considerati avere una produttività media.

Nei laghi eutrofici, come il lago Erie, grandi fioriture di alghe crescono in superficie durante l’estate. Le alghe hanno bisogno di grandi quantità di nutrienti per formare queste fioriture. Quando le alghe muoiono, la fioritura affonda sul fondo e viene decomposta dai batteri. La decomposizione da parte dei batteri, o la separazione biologica di una sostanza in elementi più semplici, richiede ossigeno. Il consumo di ossigeno e il basso apporto di ossigeno nell’ipolimnio si combinano per creare livelli di ossigeno estremamente bassi durante la stratificazione termica.

Figura 2. Figura 2. Zone morte nel lago Erie dal 1970-2002.

Quando i livelli di ossigeno disciolto scendono sotto i 2mg/l, l’acqua viene descritta come ipossica. Quando si avvicina a 0mg/l, diventa anossica. Una zona morta è un’area all’interno di un lago che è o ipossica o anossica, e in cui pochi organismi possono sopravvivere. Gli organismi che consumano ossigeno all’interno delle zone morte o soffocano o lasciano la zona. Secondo gli standard di qualità dell’acqua del Michigan, una concentrazione minima di ossigeno di 7mg/l è necessaria per i pesci d’acqua fredda e un minimo di 5 mg/l è necessario per i pesci d’acqua calda (MDEQ, 1994).

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

Il bacino centrale poco profondo del lago Erie sperimenta zone morte. Gli scienziati di tutto il bacino dei Grandi Laghi stanno monitorando il lago raccogliendo e condividendo dati sulla qualità dell’acqua per capire meglio cosa contribuisce alla formazione delle zone morte. Uno dei portali di dati più facili da usare è il progetto Great Lakes FieldScope. Creato attraverso una partnership tra Michigan Sea Grant e National Geographic, questo progetto raccoglie dati sulla qualità dell’acqua dalla regione dei Grandi Laghi e permette agli utenti di inserire i propri dati o esplorare i dati regionali sulla qualità dell’acqua attraverso l’uso di grafici e mappe. Il programma è facile da usare e abbastanza robusto per fare indagini scientifiche di base – perfetto per una lezione introduttiva sulla stratificazione termica e le zone morte.

La seguente lezione è applicabile agli studenti della scuola media (gradi 6-8). Esplora i dati sulla qualità dell’acqua memorizzati nel database del progetto Great Lakes FieldScope e utilizza strumenti analitici e di mappatura interattivi basati su FieldScope. Questa lezione, insieme al foglio di lavoro dei dati e alla chiave del foglio di lavoro dei dati, può anche essere trovata sul sito web del Michigan Sea Grant all’indirizzo www.michiganseagrant.org/lessons/. Clicca sulla scheda Explore Lessons & Data e cerca Oxygen in Water.

Engage

Questa parte della lezione dovrebbe catturare l’interesse degli studenti, connettersi con il lavoro del corso precedente, se possibile, e introdurre l’argomento.

1. Inizia chiedendo se qualcuno degli studenti ha nuotato in un lago o in uno stagno in estate e ha sentito l’acqua fredda ai piedi. Se è così, potrebbero aver sentito la stratificazione termica. Chiedi agli studenti se possono definire la stratificazione termica e poi chiarisci cos’è usando le informazioni di base di cui sopra. Incoraggia gli studenti a fare domande sul perché l’acqua si stratifica. Gli educatori possono mettere in relazione la stratificazione termica con la stratificazione che avviene con l’olio e l’aceto. L’olio e l’aceto hanno densità diverse, quindi uno galleggia sull’altro. Questo è simile all’acqua a diverse temperature. L’acqua fredda è più densa dell’acqua calda. L’acqua più densa affonderà e quella più calda galleggerà, creando così degli strati. Questa è una buona occasione per presentare la Figura 1 e dare agli studenti l’opportunità di fare domande.

1. Chiedete se gli studenti conoscono l’ossigeno disciolto. Per aiutarli a capire l’idea, chiedete se hanno mai visto un bubble stone in un acquario. Se è così, chiedete perché vengono usate. Alcune risposte potrebbero essere: Le pietre a bolle fanno circolare l’acqua e aumentano i livelli di ossigeno negli acquari immettendo direttamente ossigeno nel sistema e aumentando la quantità di acqua che entra in contatto con l’aria. Questo favorisce la diffusione atmosferica dell’ossigeno nell’acqua.

1. Discutiamo ora la diffusione dell’aria su scala lacustre. In quali modi un lago potrebbe ricevere ossigeno? Discutete le informazioni di base fornite sopra in modo che gli studenti conoscano i tre metodi di diffusione dell’ossigeno. La maggior parte degli studenti sa che le piante producono ossigeno e gli educatori possono collegare questa idea all’ambiente acquatico. Chiedi agli studenti perché possono pensare che l’ossigeno disciolto sia importante in un lago. Assicurati che gli studenti capiscano che, come gli animali terrestri, gli animali acquatici hanno bisogno di ossigeno. Descrivi di quanto ossigeno hanno bisogno i pesci d’acqua fredda e d’acqua calda. Poi spiega come i livelli di ossigeno possono diventare molto bassi in certi periodi dell’anno a causa della stratificazione termica. Introduci il concetto di zone morte. Questa è una buona occasione per mostrare la figura 2.

Esplora & Spiega

• Attività: Come varia l’ossigeno disciolto con la profondità del lago e la stratificazione termica (con Great Lakes FieldScope)
  Sommario: Gli studenti saranno in grado di descrivere come la stratificazione termica del lago e i livelli di ossigeno disciolto si riferiscono alla capacità di un lago di sostenere la vita animale.
  Tempo: 50 minuti di lezione.

Elaborare

In questa sezione vengono fornite agli studenti ulteriori risorse sull’ipossia. Queste forniscono informazioni su come i livelli di ossigeno disciolto possono influire su servizi importanti come l’acqua potabile e la ricreazione.

Risorse:

• Foglio informativo sul lago Erie
• Foglio informativo sull’ipossia
• Sistema sperimentale di allarme sull’ipossia
• Foglio informativo sull’ipossia
• Cos’è una zona morta
• Cosa causa una zona morta?

Domande di discussione:

• Come possono i livelli di ossigeno disciolto influenzare gli organismi che vivono in un lago?
• Come possono le attività umane influenzare le zone morte?
• Quali impatti ha l’ipossia sull’ecosistema/rete alimentare del lago Erie?

Gli studenti dovrebbero combinare tutto ciò che hanno imparato fino a questo punto per sviluppare una mini relazione e presentare i loro risultati al resto della classe. La relazione potrebbe includere grafici, risposte al foglio di lavoro e alle domande di discussione, e informazioni ottenute da questa lezione e dalle risorse fornite di seguito.

Valutate

La valutazione è in corso. Questa sezione della lezione e dell’attività dà all’educatore la flessibilità di valutare e monitorare i progressi degli studenti.

Un modo per valutare se gli studenti hanno capito come si formano le zone morte è quello di far loro creare un diagramma dei passi coinvolti nella creazione di una zona morta in un lago eutrofico. Il diagramma potrebbe consistere in scatole e frecce che scorrono attraverso un lago. Comincerebbe con l’apporto di nutrienti, seguito da una fioritura algale che muore e affonda sul fondo. Infine, i batteri decompongono le alghe, che impoveriscono i livelli di ossigeno portando alla formazione di una zona morta. Il diagramma includerebbe anche l’epilimnio, il metalimnio e l’ipolimnio.

Inoltre, sulla base dell’attività e della discussione in classe, gli studenti dovrebbero essere in grado di:

• Descrivere cos’è la stratificazione termica e perché alcuni laghi nelle regioni temperate si stratificano.
• Comprendere come la stratificazione termica del lago influenzi l’ossigeno disciolto.
• Costruire e interpretare i grafici dell’ossigeno disciolto e della profondità dell’acqua.
• Comprendere e definire le zone ipossiche, le zone anossiche e le zone morte.
• Discutere l’importanza dell’ossigeno disciolto per gli organismi.

Attività

• Come l’ossigeno disciolto varia con la profondità del lago e la stratificazione termica (con Great Lakes FieldScope)
  Sommario: Gli studenti saranno in grado di descrivere come la stratificazione termica del lago e i livelli di ossigeno disciolto si riferiscono alla capacità di un lago di sostenere la vita animale.
  Tempo: 50 minuti di lezione.
• Grafico delle temperature
  Sommario: Grafico delle temperature dell’acqua del lago Erie dalla superficie al fondo del lago.
  Tempo: Un periodo di classe di 50 minuti
  Zone morte – Lezione 3 Attività A: Standard e Valutazione
• Assunzione di ossigeno: Grafico dell’ossigeno disciolto
  Sommario: Grafico dell’ossigeno disciolto dalla superficie al fondo del lago Erie.
  Tempo: due periodi di classe di 50 minuti
  Zone morte – Lezione 3 Attività B: Standard e valutazione

Figure aggiuntive & Risorse

• Batimetria del lago Erie
• Montagne alghe nocive e ipossia e ipossia
• Foglio informativo sul lago Erie
• Sistema sperimentale di allarme ipossia
• Foglio informativo sull’ipossia
• Cos’è una zona morta?
• Cosa causa una zona morta?

Lezione &Fonti di dati

Sistema di previsione costiera dei Grandi Laghi. NOAA-Great Lakes Environmental Research Laboratory (GLERL) Ann Arbor, MI 48108. Autori: Schwab, DJ, Beletsky, D, Bedford, KW, Lang, GA.

Great Lakes Water Data Sets for Teachers. Eastern Michigan University, Ypsilanti, MI 48197. Progetto supportato dall’Ufficio di Educazione e Outreach presso il Great Lakes Environmental Research Laboratory del NOAA, Ann Arbor, 48108. Autori: 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 zona morta. Louisiana Sea Grant. Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803. Autori: Lindstedt, D.Website, accesso 1 dicembre 2009.

Michigan Dipartimento di qualità ambientale (MDEQ). 1994. Ossigeno disciolto. 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. Università del Minnesota-Duluth, Duluth, MN 55812. Autori: Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Website, accessed December 1, 2009.