Oxigenul dizolvat și stratificarea lacurilor

Oxigenul este cheia vieții – majoritatea organismelor nu pot supraviețui fără el, chiar și cele subacvatice. Tiparele meteorologice sezoniere și proprietățile fizice ale apei pot afecta temperatura și nivelurile de oxigen dizolvat în întreaga coloană de apă. De ce este acest lucru important? Pentru că modelele și ciclurile meteorologice sezoniere sunt direct legate de cât de multă viață poate susține un mediu acvatic.

Niveluri de clasă: Școala gimnazială clasele a V-a – a VIII-a

Așteptări de performanță:

• MS-ESS3-4 Pământul și activitatea umană: Construirea unui argument susținut de dovezi pentru modul în care creșterea populației umane și a consumului de resurse naturale pe cap de locuitor afectează sistemele Pământului.
• MS-LS2-4 Ecosisteme: Interacțiuni, energie și dinamică: Construiți un argument susținut de dovezi empirice care să demonstreze că modificările componentelor fizice sau biologice ale unui ecosistem afectează populațiile.

Pentru aliniere, consultați Next Generation Science Standards Summary

Obiectiv: Elevii vor fi capabili să descrie modul în care stratificarea termică a lacurilor și nivelurile de oxigen dizolvat sunt legate de capacitatea unui lac de a susține viața animală. Această lecție și activitate utilizează ciclul de învățare 5 E. Pentru a afla mai multe, consultați această fișă informativă a modelului de instruire 5 E.

Obiective

La finalizarea acestei lecții, elevii vor fi capabili să:

• Descrieți ce este stratificarea termică și de ce unele lacuri din regiunile temperate se stratifică.
• Sumatizați modul în care stratificarea termică a lacurilor afectează oxigenul dizolvat.
• Construiți și interpretați grafice ale oxigenului dizolvat și ale adâncimii apei.
• Înțelegeți și definiți zonele hipoxice, zonele anoxice și zonele moarte.
• Discuțiți importanța oxigenului dizolvat pentru organisme.
• Înțelegeți legătura dintre aportul de nutrienți și zonele moarte.

Termeni de știut până la sfârșitul lecției:

• Oxigen dizolvat
• Turnver
• Difuziune atmosferică
• Stratificare termică
• Hypolimnion, metalimnion și epilimnion
• Productivitate
• Zona hipoxică
• Zona noxică
• Zona moartă
• Descompunere bacteriană

Fundalul

De la sfârșitul primăverii până la începutul toamnei, unele lacuri din climatele temperate se confruntă cu stratificare termică, un fenomen prin care lacurile se separă în trei straturi termice distincte (figura 1). Încălzirea suprafeței apei de către soare provoacă variații ale densității apei și inițiază stratificarea termică. Apa mai rece și mai densă se depune pe fundul lacului, formând hipolimnionul. Un strat de apă mai caldă, numit epilimnion, plutește deasupra. Un strat intermediar subțire, numit metalimnion (sau termoclina), separă straturile de sus și de jos și este caracterizat de o schimbare rapidă a temperaturii apei. Această separare este adesea suficient de puternică pentru a rezista amestecării straturilor de către vânt.

Cea mai extremă stratificare termică are loc în lacuri în timpul lunilor calde de vară. În timpul rotației de toamnă, epilimnionul se răcește, se scufundă și coboară sub termoclin, ceea ce duce la amestecare. Stratificarea termică a unui lac depinde de adâncimea, forma și dimensiunea lacului. Este posibil ca unele lacuri mici și puțin adânci să nu cunoască stratificarea termică sezonieră, deoarece vântul amestecă întregul lac. Alte lacuri, cum ar fi Lacul Erie, au o combinație de locație geografică și adâncime a apei care produce în mod regulat stratificare termică.

Figura 1: Temperatura apei și stratificarea termică a lacului.

Oxigenul poate intra într-un lac prin trei căi diferite. Principalul mecanism este difuzia atmosferică, unde oxigenul din aer este absorbit de apa de suprafață datorită unei diferențe în concentrațiile de oxigen. În al doilea rând, plantele acvatice fac fotosinteză și eliberează oxigen în apă. În cele din urmă, râurile și fluviile aduc apă oxigenată în lac. În lacurile stratificate, hipolimnionul primește puțin oxigen din difuzia atmosferică și este prea întunecat pentru a susține viața plantelor producătoare de oxigen. Aportul fluvial are doar un impact minim asupra conținutului de oxigen din corpurile de apă mari, cum ar fi Lacul Erie. Astfel, hipolimnionul profund primește foarte puțin oxigen dizolvat în timpul stratificării termice de vară.

Lacurile pot fi descrise prin productivitatea lor. Aceasta se referă la cantitatea de nutrienți disponibili într-un lac și la producția primară, sau creșterea plantelor și algelor, pe care o susțin. Definirea stării trofice (de nutrienți sau de creștere) este un mijloc de clasificare a lacurilor în funcție de nivelurile lor de productivitate. Nivelurile trofice identificate sunt:

• Oligotrofic (olig-oh-trof-ik) – Un lac oligotrofic are concentrații scăzute de nutrienți și o creștere scăzută a plantelor (de exemplu, Lacul Superior). De obicei, se consideră că are o productivitate scăzută.
• Eutrofic (yoo-trof-ik) – Un lac eutrofic are concentrații mari de nutrienți și o creștere mare a plantelor. (de exemplu, lacul Erie). Se consideră că are o productivitate ridicată.
• Mesotrofic (meso-trof-ik) – Lacurile mezotrofe se situează undeva între lacurile eutrofe și lacurile oligotrofe. Ele sunt considerate a avea o productivitate medie.

În lacurile eutrofe, cum ar fi Lacul Erie, în timpul verii se dezvoltă la suprafață flori mari de alge. Algele au nevoie de cantități mari de nutrienți pentru a forma aceste înfloriri. Pe măsură ce algele mor, floarea se scufundă pe fundul apei și este descompusă de bacterii. Descompunerea de către bacterii, sau separarea biologică a unei substanțe în elemente mai simple, necesită oxigen. Consumul de oxigen și aportul scăzut de oxigen în hipolimnion se combină pentru a crea niveluri extrem de scăzute de oxigen în timpul stratificării termice.

Figura 2. Zonele moarte din Lacul Erie din 1970-2002.

După ce nivelurile de oxigen dizolvat scad sub 2mg/l, apa este descrisă ca fiind hipoxică. Pe măsură ce se apropie de 0mg/l, aceasta devine anoxică. O zonă moartă este o zonă din cadrul unui lac care este fie hipoxică, fie anoxică, și în care puține organisme pot supraviețui. Organismele consumatoare de oxigen din zonele moarte fie se sufocă, fie părăsesc zona. Conform standardelor de calitate a apei din Michigan, o concentrație minimă de oxigen de 7mg/l este necesară pentru peștii de apă rece și un minim de 5 mg/l este necesar pentru peștii de apă caldă (MDEQ, 1994).

Figura 3. Harta batimetrică a lacului Erie (Credit: NOAA).

Bazinul central puțin adânc al lacului Erie cunoaște zone moarte. Oamenii de știință din întregul bazin al Marilor Lacuri monitorizează lacul prin colectarea și schimbul de date privind calitatea apei pentru a înțelege mai bine ce contribuie la formarea zonelor moarte. Unul dintre cele mai ușor de utilizat portaluri de date este proiectul Great Lakes FieldScope. Creat printr-un parteneriat între Michigan Sea Grant și National Geographic, acest proiect reunește date privind calitatea apei din regiunea Marilor Lacuri și permite utilizatorilor să introducă propriile date sau să exploreze datele regionale privind calitatea apei prin utilizarea de grafice și hărți. Programul este ușor de utilizat și suficient de robust pentru a face cercetări științifice de bază – perfect pentru o lecție introductivă privind stratificarea termică și zonele moarte.

Următoarea lecție este aplicabilă elevilor de gimnaziu (clasele 6-8). Aceasta explorează datele privind calitatea apei stocate în baza de date a proiectului FieldScope pentru Marile Lacuri și utilizează instrumente interactive de analiză și cartografiere bazate pe FieldScope. Această lecție, împreună cu fișa de lucru cu date și cheia fișei de lucru cu date, poate fi găsită, de asemenea, pe site-ul Michigan Sea Grant la adresa www.michiganseagrant.org/lessons/. Faceți clic pe fila Explore Lessons & Data (Explorați lecțiile &), apoi căutați Oxygen in Water (Oxigen în apă).

Engage

Această parte a lecției ar trebui să capteze interesul elevilor, să se conecteze cu lucrările de curs anterioare, dacă este posibil, și să introducă subiectul.

1. Începeți prin a întreba dacă vreunul dintre elevi a înotat într-un lac sau iaz în timpul verii și a simțit apa rece la picioarele lor. Dacă da, este posibil ca ei să fi simțit stratificarea termică. Întrebați elevii dacă pot defini stratificarea termică și apoi clarificați ce este aceasta folosind informațiile de bază de mai sus. Încurajați elevii să pună întrebări despre motivul pentru care apa se stratifică. Educatorii pot face legătura între stratificarea termică și stratificarea care se întâmplă cu uleiul și oțetul. Uleiul și oțetul au densități diferite, astfel că unul plutește pe celălalt. Acest lucru este similar cu apa la temperaturi diferite. Apa rece este mai densă decât apa caldă. Apa mai densă se va scufunda, iar apa mai caldă va pluti, creând astfel straturi. Aceasta este o ocazie bună de a prezenta Figura 1 și de a oferi elevilor ocazia de a pune întrebări.

1. Întrebați dacă elevii știu despre oxigenul dizolvat. Pentru a-i ajuta să înțeleagă ideea, întrebați-i dacă au văzut vreodată o piatră cu bule într-un acvariu. Dacă da, întrebați de ce sunt folosite. Unele răspunsuri ar putea fi: Pietrele cu bule fac să circule apa și cresc nivelul de oxigen în acvarii prin introducerea directă de oxigen în sistem și prin creșterea cantității de apă care intră în contact cu aerul. Acest lucru favorizează difuzia atmosferică a oxigenului în apă.

1. Discuțiți acum despre difuzia aerului la scara lacului. În ce moduri ar putea un lac să primească oxigen? Discutați informațiile de bază furnizate mai sus, astfel încât elevii să știe despre cele trei metode de difuzie a oxigenului. Majoritatea elevilor știu că plantele produc oxigen, iar educatorii pot face legătura între această idee și mediul acvatic. Întrebați elevii de ce ar putea crede că oxigenul dizolvat este important într-un lac. Asigurați-vă că elevii înțeleg că, la fel ca animalele terestre, animalele acvatice au nevoie de oxigen. Descrieți cât de mult oxigen au nevoie peștii de apă rece și cei de apă caldă. Explicați apoi cum nivelurile de oxigen pot deveni foarte scăzute în anumite perioade ale anului din cauza stratificării termice. Introduceți conceptul de zone moarte. Aceasta este o bună ocazie pentru a afișa figura 2.

Explorați & Explicați

• Activitate: Cum variază oxigenul dizolvat în funcție de adâncimea lacului și de stratificarea termică (cu Great Lakes FieldScope)
  Rezumat: Elevii vor fi capabili să descrie modul în care stratificarea termică a lacului și nivelurile de oxigen dizolvat sunt legate de capacitatea unui lac de a susține viața animală.
  Timp: 50 de minute în clasă.

Elaborare

În această secțiune, elevilor li se oferă resurse suplimentare despre hipoxie. Acestea oferă informații despre modul în care nivelurile de oxigen dizolvat pot avea un impact asupra unor servicii importante, cum ar fi apa potabilă și recreerea.

Resurse:

• Floriturile de alge dăunătoare și hipoxia
• Foaie de date despre Lacul Erie
• Sistem experimental de avertizare a hipoxiei
• Foaie de date despre hipoxie
• Ce este o zonă moartă
• Ce cauzează o zonă moartă?

Întrebări de discuție:

• Cum pot influența nivelurile de oxigen dizolvat organismele care trăiesc într-un lac?
• Cum pot afecta activitățile umane zonele moarte?
• Ce impact are hipoxia asupra ecosistemului/rețelei alimentare a lacului Erie?

Elevii trebuie să combine tot ceea ce au învățat până în acest moment pentru a elabora un mini-raport și să-și prezinte rezultatele în fața restului clasei. Raportul ar putea include grafice, răspunsuri la fișa de lucru și la întrebările de discuție, precum și informații obținute din această lecție și din resursele furnizate mai jos.

Evaluați

Evaluarea este în curs de desfășurare. Această secțiune a lecției și a activității oferă educatorului flexibilitate pentru a evalua și monitoriza progresul elevilor.

O modalitate de a evalua dacă elevii înțeleg cum se formează zonele moarte este de a-i pune să creeze o diagramă a etapelor implicate în crearea unei zone moarte într-un lac eutrofic. Diagrama ar putea consta din cutii și săgeți care curg printr-un lac. Ar începe cu aportul de nutrienți, urmat de o înflorire de alge care moare și se scufundă pe fundul apei. În cele din urmă, bacteriile descompun algele, ceea ce diminuează nivelul de oxigen și duce la formarea unei zone moarte. Diagrama ar include, de asemenea, epilimnionul, metalimnionul și hipolimnionul.

În plus, pe baza activității și a discuției din clasă, elevii ar trebui să fie capabili să:

• Descrieți ce este stratificarea termică și de ce unele lacuri din regiunile temperate se stratifică.
• Înțelege modul în care stratificarea termică a lacurilor afectează oxigenul dizolvat.
• Construiește și interpretează grafice ale oxigenului dizolvat și ale adâncimii apei.
• Înțelege și definește zonele hipoxice, zonele anoxice și zonele moarte.
• Discuta importanța oxigenului dizolvat pentru organisme.

Activități

• Cum variază oxigenul dizolvat în funcție de adâncimea lacului și de stratificarea termică (cu Great Lakes FieldScope)
  Rezumat: Elevii vor fi capabili să descrie modul în care stratificarea termică a lacului și nivelurile de oxigen dizolvat sunt legate de capacitatea unui lac de a susține viața animală.
  Timp: 50 de minute de curs.
• Graficul temperaturilor
  Rezumat: Reprezentați grafic temperaturile apei lacului Erie de la suprafață până la fundul lacului.
  Timp: 50 de minute de curs: O perioadă de 50 de minute în clasă
  Zonele moarte – Lecția 3 Activitatea A: Standarde și evaluare
• Alimentarea cu aer: Reprezentarea grafică a oxigenului dizolvat
  Rezumat: Reprezentați grafic oxigenul dizolvat de la suprafața până la fundul lacului Erie.
  Timp: Două perioade de clasă de 50 de minute
  Zonele moarte – Lecția 3 Activitate B: Standarde și evaluare

Figuri suplimentare & Resurse

• Batimetria lacului Erie
• Floriturile de alge dăunătoare and Hypoxia
• Lake Erie Factsheet
• Experimental Hypoxia Warning System
• Hypoxia Factsheet
• Ce este o zonă moartă?
• Ce cauzează o zonă moartă?

Lecția & Surse de date

Great Lakes Coastal Forecasting System. 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. Proiect susținut de Office of Education and Outreach din cadrul NOAA’s Great Lakes Environmental Research Laboratory, 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 – The Dead Zone. Louisiana Sea Grant. Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803. Autori: A: Lindstedt, D.Website, accesat la 1 decembrie 2009.

Michigan Department of Environmental Quality (MDEQ). 1994. Oxigenul dizolvat. 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. Universitatea din Minnesota-Duluth, Duluth, MN 55812. Autori: Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Site web, accesat la 1 decembrie 2009.

.