Oxygen é a chave para a vida – a maioria dos organismos não consegue sobreviver sem ele, mesmo aqueles debaixo de água. Os padrões climáticos sazonais e as propriedades físicas da água podem afectar a temperatura e os níveis de oxigénio dissolvido em toda a coluna de água. Porque é que isto é importante? Porque os padrões e ciclos climáticos sazonais estão directamente relacionados com a vida que um ambiente aquático pode suportar.
Níveis de qualidade de vida: 5º-8º ano da escola secundária
Performance Expectativas:
- MS-ESS3-4 Actividade Humana e Terrestre: Construir um argumento apoiado por evidências de como o aumento da população humana e o consumo per capita de recursos naturais impactam os sistemas da Terra.
- MS-LS2-4 Ecossistemas: Interacções, Energia e Dinâmica: Construir um argumento apoiado por evidências empíricas de que mudanças nos componentes físicos ou biológicos de um ecossistema afetam as populações.
Para alinhamento, veja Next Generation Science Standards Summary
Goal: Os estudantes serão capazes de descrever como a estratificação térmica do lago e os níveis de oxigênio dissolvido se relacionam com a capacidade de um lago de suportar a vida animal. Esta lição e atividade utilizam o ciclo de aprendizagem 5 E. Para saber mais, verifique esta Folha de Informações do Modelo de Instruções 5E.
Objetivos
A conclusão desta lição, os alunos serão capazes de:
- Descrever o que é estratificação térmica e porque alguns lagos em regiões temperadas estratificam.
- Summarizar como a estratificação térmica do lago afeta o oxigênio dissolvido.
- Construir e interpretar gráficos de oxigénio dissolvido e profundidade da água.
- Entender e definir zonas hipóxicas, zonas anóxicas e zonas mortas.
- Discutir a importância do oxigénio dissolvido para os organismos.
- Entender a ligação entre as entradas de nutrientes e as zonas mortas.
Terms para saber até o final da lição:
- Oxigénio dissolvido
- Volução
- Difusão atmosférica
- Estrattificação térmica
- Hipolimnion, metalimnion e epilimnion
- Produtividade
- Zona hipóxica
- Zona anóxica
- Zona morta
- Decomposição bacteriana
Fundo
Do final da primavera ao início do outono, Alguns lagos em climas temperados sofrem estratificação térmica, um fenômeno no qual os lagos se separam em três camadas térmicas distintas (Figura 1). O aquecimento da superfície da água pelo sol provoca variações na densidade da água e inicia a estratificação térmica. A água mais fria e mais densa instala-se no fundo do lago formando o hipolímnio. Uma camada de água mais quente, chamada epilimnion, flutua no topo. Uma fina camada média chamada metalimnion (ou termoclina) separa as camadas superior e inferior e é caracterizada por uma rápida mudança na temperatura da água. Esta separação é suficientemente forte para resistir à mistura das camadas pelo vento.
A estratificação térmica mais extrema ocorre dentro dos lagos durante os meses quentes de verão. Durante a rotação do outono, a epilimnion esfria, afunda e cai abaixo da termoclina, resultando em mistura. A estratificação térmica de um lago depende da profundidade, forma e tamanho do lago. Alguns lagos pequenos e rasos podem não sofrer estratificação térmica sazonal porque o vento mistura o lago inteiro. Outros lagos, como o Lago Erie, têm uma combinação de localização geográfica e profundidade da água que produz estratificação térmica regularmente.
Figure 1: Temperatura da água e estratificação térmica do lago.
O oxigênio pode entrar em um lago através de três rotas diferentes. O mecanismo principal é a difusão atmosférica onde o oxigênio no ar é absorvido pela água superficial devido a uma diferença nas concentrações de oxigênio. Em segundo lugar, as plantas aquáticas fotossintetizam e libertam oxigénio na água. Finalmente, os rios e riachos trazem água oxigenada para o lago. Em lagos estratificados, o hipolímnio recebe pouco oxigênio da difusão atmosférica e é muito escuro para suportar a vida das plantas produtoras de oxigênio. A entrada de água do rio tem apenas um impacto mínimo no conteúdo de oxigénio de grandes massas de água, como o Lago Erie. Assim, o hipolímnio profundo recebe muito pouco oxigênio dissolvido durante a estratificação térmica de verão.
Lagos podem ser descritos pela sua produtividade. Isto se refere à quantidade de nutrientes disponíveis em um lago e a produção primária, ou crescimento de plantas e algas, que eles suportam. A definição do estado trófico (nutriente ou crescimento) é um meio de classificar os lagos em termos dos seus níveis de produtividade. Os níveis tróficos identificados são:
- Oligotrofico (olig-oh-trof-ik) – Um lago oligotrofico tem baixas concentrações de nutrientes e baixo crescimento de plantas (e.g., Lago Superior). É geralmente considerado como tendo baixa produtividade.
- Eutrófico (yoo-trof-ik) – Um lago eutrófico tem altas concentrações de nutrientes e alto crescimento de plantas. (e.g., Lago Erie). É considerado como tendo alta produtividade.
- Mesotrofico (meso-trof-ik) – Lagos mesotróficos caem em algum lugar entre os lagos eutróficos e oligotróficos. São considerados como tendo produtividade média.
Em lagos eutróficos, como o Lago Erie, grandes florescimentos de algas crescem à superfície durante o verão. As algas precisam de grandes quantidades de nutrientes para formar estas florescências. À medida que as algas morrem, a floração afunda no fundo e é decomposta por bactérias. A decomposição por bactérias, ou a separação biológica de uma substância em elementos mais simples, requer oxigénio. O consumo de oxigênio e a baixa entrada de oxigênio no hipolímnio se combinam para criar níveis extremamente baixos de oxigênio durante a estratificação térmica.
Figure 2. Zonas mortas no Lago Erie de 1970-2002.
Após a queda dos níveis de oxigénio dissolvido abaixo de 2mg/l, a água é descrita como hipóxica. Quando se aproxima de 0mg/l, torna-se anóxica. Uma zona morta é uma área dentro de um lago que ou é hipóxica ou anóxica, e na qual poucos organismos podem sobreviver. Os organismos que consomem oxigénio dentro das zonas mortas ou sufocam ou deixam a área. De acordo com os padrões de qualidade da água de Michigan, uma concentração mínima de oxigénio de 7mg/l é necessária para peixes de água fria e uma concentração mínima de 5 mg/l é necessária para peixes de água quente (MDEQ, 1994).
Figure 3. Mapa da Batimetria do Lago Erie (Crédito:NOAA).
A bacia central rasa do Lago Erie experimenta zonas mortas. Cientistas de toda a bacia dos Grandes Lagos estão monitorando o lago coletando e compartilhando dados da qualidade da água para entender melhor o que contribui para a formação de zonas mortas. Um dos portais de dados mais fáceis de usar é o projeto Great Lakes FieldScope. Criado através de uma parceria entre a Michigan Sea Grant e a National Geographic, este projeto reúne dados de qualidade da água da região dos Grandes Lagos e permite aos usuários inserir seus próprios dados ou explorar dados regionais de qualidade da água através do uso de gráficos e mapas. O programa é de fácil utilização e robusto o suficiente para fazer perguntas científicas básicas – perfeito para uma lição introdutória sobre estratificação térmica e zonas mortas.
A lição seguinte é aplicável a alunos do ensino médio (séries 6-8). Ela explora os dados de qualidade da água armazenados no banco de dados do projeto Great Lakes FieldScope e usa ferramentas de análise e mapeamento interativas baseadas no FieldScope. Esta lição, juntamente com a planilha de dados e a chave da planilha de dados, também pode ser encontrada no site do Michigan Sea Grant em www.michiganseagrant.org/lessons/. Clique na aba Explore Lessons & Data tab e depois procure por Oxygen in Water.
Engage
Esta parte da lição deve capturar o interesse dos alunos, conectar-se com trabalhos anteriores do curso se possível e introduzir o tópico.
- Begin perguntando se algum dos alunos nadou em um lago ou lagoa durante o verão e sentiu água fria a seus pés. Se assim for, eles podem ter sentido estratificação térmica. Pergunte aos alunos se eles podem definir estratificação térmica e depois esclareça o que é, usando a informação de fundo acima. Encoraje os alunos a fazerem perguntas sobre o porquê da estratificação da água. Os educadores podem relacionar a estratificação térmica com a estratificação que acontece com o azeite e o vinagre. O óleo e o vinagre têm densidades diferentes, portanto um flutua sobre o outro. Isto é semelhante à água a diferentes temperaturas. A água fria é mais densa do que a água quente. A água mais densa afunda e a água mais quente flutua, criando assim camadas. Esta é uma boa oportunidade para apresentar a Figura 1 e fornecer uma oportunidade para os alunos fazerem perguntas.
- Ask se os alunos souberem sobre oxigênio dissolvido. Para os ajudar a compreender a ideia, pergunte se alguma vez viram uma bolha de ar num aquário. Em caso afirmativo, pergunte porque é que são usadas. Algumas respostas podem ser: As pedras-bolha fazem circular a água e aumentam os níveis de oxigénio nos aquários através da entrada directa de oxigénio no sistema e aumentando a quantidade de água que entra em contacto com o ar. Isto promove a difusão atmosférica de oxigénio na água.
- Agora discuta a difusão do ar à escala do lago. De que forma um lago pode receber oxigénio? Discuta a informação de base fornecida acima para que os alunos conheçam os três métodos de difusão de oxigénio. A maioria dos alunos sabe que as plantas produzem oxigénio, e os educadores podem ligar esta ideia ao ambiente aquático. Pergunte aos alunos porque podem pensar que o oxigénio dissolvido é importante num lago. Certifique-se que os alunos compreendem que, tal como os animais terrestres, os animais aquáticos necessitam de oxigénio. Descreva a quantidade de oxigénio que os peixes precisam na água fria e na água quente. Depois explique como os níveis de oxigénio podem tornar-se muito baixos em certas alturas do ano devido à estratificação térmica. Apresente o conceito de zonas mortas. Esta é uma boa oportunidade para mostrar a Figura 2.
Explorar & Explicar
- Atividade: Como o oxigênio dissolvido varia com a profundidade do lago e estratificação térmica (com o Great Lakes FieldScope)
Sumário: Os alunos serão capazes de descrever como a estratificação térmica do lago e os níveis de oxigênio dissolvido se relacionam com a capacidade do lago de suportar a vida animal.
Tempo: 50 minutos de aula.
Elaborar
Nesta seção os alunos recebem recursos adicionais sobre hipoxia. Estes fornecem informações sobre como os níveis de oxigénio dissolvido podem ter impacto em serviços importantes, como água potável e recreação.
Recursos:
- Desabrolhamento de Algas e Hipoxia Hálida
- Lake Erie Factsheet
- Sistema de Aviso de HipoxiaExperimental
- Hypoxia Factsheet
- O que é uma zona morta
- O que causa uma zona morta?
Perguntas de discussão:
- Como os níveis de oxigénio dissolvido podem influenciar os organismos que vivem num lago?
- Como as actividades humanas podem afectar as zonas mortas?
- Que impactos a hipoxia tem no ecossistema/teia alimentar do Lago Erie?
Os alunos devem combinar tudo o que aprenderam até este ponto para desenvolver um mini relatório e apresentar seus resultados para o resto da turma. O relatório pode incluir gráficos, respostas a folhas de trabalho e perguntas para discussão, e informações obtidas nesta lição e os recursos fornecidos abaixo.
Avaliar
Avaliação está em andamento. Esta seção da lição e atividade dá ao educador flexibilidade para avaliar e monitorar o progresso do aluno.
Uma maneira de avaliar se os alunos entendem como as zonas mortas são formadas é fazer com que eles criem um diagrama das etapas envolvidas na criação de uma zona morta em um lago eutrófico. O diagrama pode consistir de caixas e setas que fluem através de um lago. Ele começaria com a entrada de nutrientes, seguido por uma floração de algas que morre e se afunda no fundo. Finalmente, as bactérias decompõem as algas, o que esgota os níveis de oxigénio levando à formação de uma zona morta. O diagrama também incluiria a epilimnion, metalimnion e hipolimnion.
Além disso, com base na atividade e discussão em classe, os alunos devem ser capazes de:
- Descrever o que é estratificação térmica e porque alguns lagos em regiões temperadas estratificam.
- Compreender como a estratificação térmica de lagos afeta o oxigênio dissolvido.
- Construir e interpretar gráficos de oxigênio dissolvido e profundidade da água.
- Entender e definir zonas hipóxicas, zonas anóxicas e zonas mortas.
- Discutam a importância do oxigênio dissolvido para os organismos.
Atividades
- Como o oxigênio dissolvido varia com a profundidade do lago e estratificação térmica (com o Great Lakes FieldScope)
Sumário: Os alunos serão capazes de descrever como a estratificação térmica do lago e os níveis de oxigênio dissolvido se relacionam com a capacidade do lago de suportar a vida animal.
Tempo: 50 minutos de aula. - Temperaturas Gráficas
Sumário: Gráfico das temperaturas da água do lago Erie desde a superfície até o fundo do lago.
Tempo: Um período de aula de 50 minutos
Zonas mortas – Lição 3 Atividade A: Padrões e avaliação - Abastecimento de ar: Gráfico de Oxigénio Dissolvido
Sumário: Gráfico de oxigénio dissolvido desde a superfície até ao fundo do lago Erie.
Tempo: Dois períodos de aula de 50 minutos
Zonas Mortas – Lição 3 Atividade B: Padrões e Avaliação
Números Adicionais &Recursos
- Batemetria de Erie de Lake Erie
- Balas de Algas e Hipoxia
- Lake Erie Factsheet
- Sistema de Aviso de HipoxiaExperimental
- Hypoxia Factsheet
- O que é uma zona morta?
- O que causa uma zona morta?
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Lesson &Fontes de dados
Sistema de Previsão Costeira de Grandes Lagos. NOAA-Great Lakes Environmental Research Laboratory (GLERL) Ann Arbor, MI 48108. Autores: Schwab, DJ, Beletsky, D, Bedford, KW, Lang, GA.
Great Lakes Water Data Sets for Teachers. Eastern Michigan University, Ypsilanti, MI 48197. Projeto apoiado pelo Escritório de Educação e Divulgação no Laboratório de Pesquisa Ambiental da NOAA Great Lakes, Ann Arbor, 48108. Autores: 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 – A Zona Morta. Louisiana Sea Grant. Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803. Autores: Lindstedt, D.Website, acessado em 1 de dezembro de 2009.
Michigan Department of Environmental Quality (MDEQ). 1994. Oxigênio Dissolvido. http://www.michigan.gov/documents/deq/wb-npdes-DissolvedOxygen_247232_7.pdf
Água na Web – Monitoramento dos Lagos de Minnesota na Internet e Treinamento de Técnicos em Ciências da Água para o Futuro – Um Currículo Nacional Online usando Tecnologias Avançadas e Dados em Tempo Real. Universidade de Minnesota-Duluth, Duluth, MN 55812. Autores: Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Website, acessado em 1 de dezembro de 2009.