Tlen jest kluczem do życia – większość organizmów nie może bez niego przetrwać, nawet te pod wodą. Sezonowe wzorce pogodowe i właściwości fizyczne wody mogą wpływać na temperaturę i poziom rozpuszczonego tlenu w całym słupie wody. Dlaczego jest to ważne? Ponieważ sezonowe wzorce i cykle pogodowe są bezpośrednio związane z tym, ile życia może utrzymać środowisko wodne.
Poziomy zaawansowania: Middle School 5th-8th grade
Performance Expectations:
- MS-ESS3-4 Earth and Human Activity: Zbudowanie argumentu popartego dowodami na to, jak wzrost populacji ludzkiej i konsumpcja zasobów naturalnych per capita wpływa na systemy ziemskie.
- MS-LS2-4 Ekosystemy: Interakcje, Energia i Dynamika: Konstruuje argument poparty empirycznymi dowodami, że zmiany fizycznych lub biologicznych składników ekosystemu wpływają na populacje.
Dla wyrównania, zobacz Next Generation Science Standards Summary
Cel: Uczniowie będą w stanie opisać jak stratyfikacja termiczna jeziora i poziom rozpuszczonego tlenu odnoszą się do zdolności jeziora do wspierania życia zwierzęcego. Ta lekcja i zajęcia wykorzystują cykl uczenia się 5 E. Aby dowiedzieć się więcej, sprawdź ten arkusz informacyjny 5E Instructional Model.
Cele
Po ukończeniu tej lekcji, uczniowie będą w stanie:
- Opisać czym jest stratyfikacja termiczna i dlaczego niektóre jeziora w regionach umiarkowanych ulegają stratyfikacji.
- Podsumować jak stratyfikacja termiczna jeziora wpływa na tlen rozpuszczony.
- Skonstruowanie i interpretacja wykresów rozpuszczonego tlenu i głębokości wody.
- Zrozumienie i zdefiniowanie stref hipoksji, stref anoksji i stref martwych.
- Przedyskutowanie znaczenia rozpuszczonego tlenu dla organizmów.
- Zrozumienie związku między dopływem składników odżywczych i strefami martwymi.
Terminy, które należy znać do końca lekcji:
- Tlen rozpuszczony
- Obroty
- Dyfuzja atmosferyczna
- Stratyfikacja termiczna
- Hypolimnion, metalimnion i epilimnion
- Produktywność
- Strefa hipoksyczna
- Strefa anoksyczna
- Strefa martwa
- Rozkład bakteryjny
Tło
Od późnej wiosny do wczesnej jesieni, niektóre jeziora w klimacie umiarkowanym doświadczają stratyfikacji termicznej, zjawiska, w którym jeziora dzielą się na trzy odrębne warstwy termiczne (Rysunek 1). Ocieplenie powierzchni wody przez słońce powoduje zmiany gęstości wody i zapoczątkowuje stratyfikację termiczną. Chłodniejsza, gęstsza woda osadza się na dnie jeziora, tworząc hypolimnion. Na wierzchu unosi się warstwa cieplejszej wody, zwana epilimnionem. Cienka warstwa środkowa zwana metalimnionem (lub termokliną) oddziela górną i dolną warstwę i charakteryzuje się szybką zmianą temperatury wody. Oddzielenie to często jest wystarczająco silne, aby oprzeć się mieszaniu warstw przez wiatr.
Najbardziej ekstremalna stratyfikacja termiczna występuje w jeziorach podczas ciepłych miesięcy letnich. Podczas jesiennej rotacji, epilimnion ochładza się, opada i spada poniżej termokliny, powodując mieszanie. Stratyfikacja termiczna jeziora zależy od jego głębokości, kształtu i wielkości. Niektóre małe, płytkie jeziora mogą nie doświadczać sezonowej stratyfikacji termicznej, ponieważ wiatr miesza całe jezioro. Inne jeziora, takie jak jezioro Erie, mają kombinację położenia geograficznego i głębokości wody, która regularnie wytwarza stratyfikację termiczną.
Rysunek 1: Temperatura wody i stratyfikacja termiczna jeziora.
Tlen może dostać się do jeziora trzema różnymi drogami. Głównym mechanizmem jest dyfuzja atmosferyczna, gdzie tlen w powietrzu jest absorbowany przez wody powierzchniowe z powodu różnicy w stężeniu tlenu. Po drugie, rośliny wodne fotosyntetyzują i uwalniają tlen do wody. Wreszcie, rzeki i strumienie wprowadzają natlenioną wodę do jeziora. W jeziorach warstwowych, hypolimnion otrzymuje niewiele tlenu z dyfuzji atmosferycznej i jest zbyt ciemny, by utrzymać życie roślin produkujących tlen. Napływ wód rzecznych ma jedynie minimalny wpływ na zawartość tlenu w dużych zbiornikach wodnych, takich jak jezioro Erie. Tak więc głęboka hypolimnion otrzymuje bardzo mało rozpuszczonego tlenu podczas letniej stratyfikacji termicznej.
Jeziora mogą być opisane przez ich produktywność. Odnosi się to do ilości składników odżywczych dostępnych w jeziorze i produkcji pierwotnej, lub wzrostu roślin i glonów, które one wspierają. Określenie statusu troficznego (składników odżywczych lub wzrostu) jest sposobem klasyfikacji jezior pod względem ich poziomów produktywności. Zidentyfikowane poziomy troficzne to:
- Oligotroficzne (olig-oh-trof-ik) – Jezioro oligotroficzne ma niskie stężenie składników odżywczych i niski wzrost roślin (np. Lake Superior). Zwykle uważa się, że ma niską wydajność.
- Eutroficzne (yoo-trof-ik) – Jezioro eutroficzne ma wysokie stężenie składników odżywczych i wysoki wzrost roślin. (np. jezioro Erie). Uważa się, że ma wysoką produktywność.
- Mezotroficzne (meso-trof-ik) – Jeziora mezotroficzne mieszczą się gdzieś pomiędzy jeziorami eutroficznymi i oligotroficznymi. Uważa się, że mają one średnią produktywność.
W jeziorach eutroficznych, takich jak jezioro Erie, latem na powierzchni rosną duże zakwity glonów. Glony potrzebują dużych ilości składników odżywczych, aby tworzyć takie zakwity. Gdy algi obumierają, zakwit opada na dno i jest rozkładany przez bakterie. Rozkład przez bakterie, czyli biologiczne rozdzielenie substancji na prostsze elementy, wymaga tlenu. Zużycie tlenu i niski dopływ tlenu w hypolimnionie łączą się, tworząc ekstremalnie niskie poziomy tlenu podczas stratyfikacji termicznej.
Rysunek 2. Martwe strefy w jeziorze Erie w latach 1970-2002.
Gdy poziom tlenu rozpuszczonego spadnie poniżej 2mg/l, woda jest określana jako hipoksyczna. W miarę zbliżania się do 0mg/l, woda staje się anoksyczna. Martwa strefa to obszar w jeziorze, który jest albo hipoksyczny albo anoksyczny, i w którym niewiele organizmów może przetrwać. Organizmy zużywające tlen w martwych strefach albo duszą się, albo opuszczają ten obszar. Zgodnie z normami jakości wody w Michigan, minimalne stężenie tlenu 7mg/l jest potrzebne dla ryb zimnowodnych, a minimalne 5 mg/l dla ryb ciepłowodnych (MDEQ, 1994).
Rysunek 3. Mapa batymetrii jeziora Erie (Credit:NOAA).
Płytki środkowy basen jeziora Erie doświadcza martwych stref. Naukowcy z całego basenu Wielkich Jezior monitorują jezioro poprzez zbieranie i udostępnianie danych o jakości wody, aby lepiej zrozumieć, co przyczynia się do powstawania martwych stref. Jednym z najbardziej przyjaznych dla użytkownika portali danych jest projekt Great Lakes FieldScope. Stworzony dzięki partnerstwu pomiędzy Michigan Sea Grant i National Geographic, projekt ten gromadzi dane o jakości wody w regionie Wielkich Jezior i pozwala użytkownikom na wprowadzanie własnych danych lub badanie regionalnych danych o jakości wody za pomocą wykresów i map. Program jest przyjazny dla użytkownika i wystarczająco solidny, aby przeprowadzać podstawowe badania naukowe – idealny do lekcji wprowadzającej na temat stratyfikacji termicznej i martwych stref.
Poniższa lekcja jest przeznaczona dla uczniów szkół średnich (klasy 6-8). Bada ona dane dotyczące jakości wody przechowywane w bazie danych projektu Great Lakes FieldScope i wykorzystuje interaktywne narzędzia analityczne i mapujące oparte na FieldScope. Lekcja ta, wraz z arkuszem danych i kluczem do arkusza danych, jest również dostępna na stronie internetowej Michigan Sea Grant pod adresem www.michiganseagrant.org/lessons/. Kliknij zakładkę Explore Lessons & Data, a następnie wyszukaj Oxygen in Water.
Engage
Ta część lekcji powinna zainteresować uczniów, w miarę możliwości połączyć się z wcześniejszą pracą kursową i wprowadzić temat.
- Zacznij od zapytania, czy któryś z uczniów pływał latem w jeziorze lub stawie i czuł zimną wodę u stóp. Jeśli tak, to mogli poczuć stratyfikację termiczną. Zapytaj uczniów, czy potrafią zdefiniować stratyfikację termiczną, a następnie wyjaśnij, na czym ona polega, korzystając z powyższych informacji. Zachęć uczniów do zadawania pytań o przyczyny rozwarstwienia wody. Nauczyciele mogą odnieść stratyfikację termiczną do warstwowania, które ma miejsce w przypadku oleju i octu. Olej i ocet mają różną gęstość, dlatego jeden z nich unosi się na drugim. Jest to podobne do wody w różnych temperaturach. Zimna woda jest gęstsza niż ciepła. Gęstsza woda będzie tonąć, a cieplejsza będzie się unosić, tworząc w ten sposób warstwy. Jest to dobra okazja do zaprezentowania rysunku 1 i umożliwienia uczniom zadawania pytań.
- Zapytaj, czy uczniowie wiedzą o tlenie rozpuszczonym. Aby pomóc im zrozumieć tę ideę, zapytaj, czy kiedykolwiek widzieli kamień bąbelkowy w akwarium. Jeśli tak, zapytaj dlaczego są one używane. Niektóre odpowiedzi mogą brzmieć następująco: Kamienie bąbelkowe cyrkulują wodę i zwiększają poziom tlenu w akwarium poprzez bezpośrednie wprowadzanie tlenu do systemu oraz poprzez zwiększenie ilości wody mającej kontakt z powietrzem. Sprzyja to atmosferycznej dyfuzji tlenu do wody.
- Teraz omów dyfuzję powietrza w skali jeziora. W jaki sposób jezioro może otrzymać tlen? Omów podstawowe informacje podane powyżej, aby uczniowie wiedzieli o trzech metodach dyfuzji tlenu. Większość uczniów wie, że rośliny produkują tlen, a nauczyciele mogą powiązać tę ideę ze środowiskiem wodnym. Zapytaj uczniów dlaczego uważają, że tlen rozpuszczony w wodzie jest ważny w jeziorze. Upewnij się, że uczniowie rozumieją, że podobnie jak zwierzęta lądowe, zwierzęta wodne potrzebują tlenu. Opisz, ile tlenu potrzebują ryby zimnowodne i ciepłolubne. Następnie wyjaśnij jak poziom tlenu może stać się bardzo niski w niektórych porach roku z powodu stratyfikacji termicznej. Wprowadź pojęcie martwych stref. Jest to dobra okazja do wyświetlenia Rysunku 2.
Zbadaj &Wyjaśnij
- Działanie: Jak rozpuszczony tlen zmienia się w zależności od głębokości jeziora i stratyfikacji termicznej (z Great Lakes FieldScope)
Podsumowanie: Uczniowie będą w stanie opisać jak stratyfikacja termiczna jeziora i poziom rozpuszczonego tlenu odnoszą się do zdolności jeziora do podtrzymywania życia zwierzęcego.
Czas: 50 minut zajęć.
Pracuj
W tej części uczniowie otrzymują dodatkowe materiały na temat hipoksji. Dostarczają one informacji o tym, jak poziomy rozpuszczonego tlenu mogą wpływać na ważne usługi, takie jak woda pitna i rekreacja.
Źródła:
- Harmful Algal Blooms and Hypoxia
- Lake Erie Factsheet
- Experimental Hypoxia Warning System
- Hypoxia Factsheet
- Co to jest martwa strefa
- Co powoduje martwą strefę?
Pytania dyskusyjne:
- Jak poziom tlenu rozpuszczonego może wpływać na organizmy żyjące w jeziorze?
- Jak działalność człowieka może wpływać na martwe strefy?
- Jaki wpływ ma niedotlenienie na ekosystem/ sieć pokarmową jeziora Erie?
Uczniowie powinni połączyć wszystko, czego nauczyli się do tego momentu, aby stworzyć mini raport i zaprezentować swoje wyniki reszcie klasy. Raport może zawierać wykresy, odpowiedzi na pytania z arkusza i dyskusji oraz informacje zdobyte podczas tej lekcji i z zasobów podanych poniżej.
Ewaluacja
Ewaluacja jest w toku. Ta część lekcji i ćwiczenia daje nauczycielowi swobodę w ocenie i monitorowaniu postępów uczniów.
Jednym ze sposobów oceny czy uczniowie rozumieją jak powstają martwe strefy jest poproszenie ich o stworzenie diagramu kroków związanych z tworzeniem martwej strefy w eutroficznym jeziorze. Diagram może składać się z pól i strzałek przepływających przez jezioro. Zaczynałby się od dopływu składników odżywczych, po czym następowałby zakwit glonów, które obumierają i opadają na dno. W końcu bakterie rozkładają glony, co obniża poziom tlenu i prowadzi do powstania martwej strefy. Diagram zawierałby również epilimnion, metalimnion i hypolimnion.
Dodatkowo, w oparciu o ćwiczenie i dyskusję w klasie, uczniowie powinni być w stanie:
- Opisać czym jest stratyfikacja termiczna i dlaczego niektóre jeziora w regionach umiarkowanych stratyfikują się.
- Zrozumieć jak stratyfikacja termiczna jeziora wpływa na rozpuszczony tlen.
- Skonstruować i interpretować wykresy rozpuszczonego tlenu i głębokości wody.
- Zrozumieć i zdefiniować strefy hipoksji, strefy anoksji i strefy martwe.
- Przedyskutować znaczenie rozpuszczonego tlenu dla organizmów.
Działania
- Jak rozpuszczony tlen zmienia się w zależności od głębokości jeziora i stratyfikacji termicznej (z Great Lakes FieldScope)
Podsumowanie: Studenci będą w stanie opisać jak stratyfikacja termiczna jeziora i poziomy rozpuszczonego tlenu odnoszą się do zdolności jeziora do podtrzymywania życia zwierzęcego.
Czas: 50-minutowy okres lekcyjny. - Wykres temperatur
Podsumowanie: Wykres temperatur wody jeziora Erie od powierzchni do dna jeziora.
Czas: Jeden 50-minutowy okres lekcyjny
Dead Zones – Lesson 3 Activity A: Standards and Assessment - Air Supply: Wykres rozpuszczonego tlenu
Podsumowanie: Wykres rozpuszczonego tlenu od powierzchni do dna jeziora Erie.
Dodatkowe ryciny & Zasoby
- Batymetria jeziora Erie
- Harmful Algal Blooms (Szkodliwe zakwity alg) and Hypoxia
- Lake Erie Factsheet
- Experimental Hypoxia Warning System
- Hypoxia Factsheet
- What is a dead zone?
- Co powoduje martwą strefę?
Lekcja &Źródła danych
Great Lakes Coastal Forecasting System. NOAA-Great Lakes Environmental Research Laboratory (GLERL) Ann Arbor, MI 48108. Autorzy: Schwab, DJ, Beletsky, D, Bedford, KW, Lang, GA.
Great Lakes Water Data Sets for Teachers. Eastern Michigan University, Ypsilanti, MI 48197. Projekt wspierany przez Office of Education and Outreach w NOAA’s Great Lakes Environmental Research Laboratory, Ann Arbor, 48108. Autorzy: 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 – The Dead Zone. Louisiana Sea Grant. Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803. Autorzy: Lindstedt, D.Website, dostęp 1 grudnia 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. Autorzy: Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Strona internetowa, dostęp 1 grudnia 2009.
.