Rozpuštěný kyslík a stratifikace jezer

Kyslík je klíčem k životu – většina organismů bez něj nemůže přežít, dokonce ani ty pod vodou. Sezónní výkyvy počasí a fyzikální vlastnosti vody mohou ovlivňovat teplotu a hladinu rozpuštěného kyslíku v celém vodním sloupci. Proč je to důležité? Protože sezónní průběh počasí a jeho cykly přímo souvisejí s tím, kolik života může vodní prostředí podporovat.

Úrovně třídy: Střední škola 5.-8. třída

Očekávané výsledky:

• MS-ESS3-4 Země a lidská činnost: Vytvořit argument podložený důkazy o tom, jaký vliv má nárůst lidské populace a spotřeby přírodních zdrojů na obyvatele na zemské systémy
• MS-LS2-4 Ekosystémy: Interakce, energie a dynamika: Vytvořit argument podpořený empirickými důkazy o tom, že změny fyzikálních nebo biologických složek ekosystému ovlivňují populace.

Soulad viz shrnutí standardů Next Generation Science Standards

Cíl: Žáci budou schopni popsat, jak tepelná stratifikace jezera a hladina rozpuštěného kyslíku souvisí se schopností jezera podporovat život živočichů. Tato lekce a aktivita využívají učební cyklus 5 E. Chcete-li se dozvědět více, podívejte se na tento informační list k výukovému modelu 5E.

Cíle

Po dokončení této lekce budou studenti schopni:

• Popsat, co je tepelná stratifikace a proč se některá jezera v oblastech mírného pásma stratifikují.
• Shrnout, jak tepelná stratifikace jezer ovlivňuje rozpuštěný kyslík.
• Konstruovat a interpretovat grafy rozpuštěného kyslíku a hloubky vody.
• Pochopit a definovat hypoxické zóny, anoxické zóny a mrtvé zóny.
• Diskutovat o významu rozpuštěného kyslíku pro organismy.
• Pochopit souvislost mezi přísunem živin a mrtvými zónami.

Termíny, které je třeba znát do konce hodiny:

• Rozpuštěný kyslík
• Obrat
• Atmosférická difuze
• Termální stratifikace
• Hypolimnion, metalimnion a epilimnion
• Produktivita
• Hypoxická zóna
• Anoxická zóna
• Mrtvá zóna
• Bakteriální rozklad

Pozadí

Od konce jara do začátku podzimu, v některých jezerech v mírném podnebí dochází k teplotní stratifikaci, jevu, při kterém se jezera rozdělují do tří odlišných teplotních vrstev (obrázek 1). Oteplování povrchu vody sluncem způsobuje kolísání hustoty vody a iniciuje tepelnou stratifikaci. Chladnější a hustší voda se usazuje na dně jezera a tvoří hypolimnion. Na ní se vznáší vrstva teplejší vody, nazývaná epilimnion. Tenká střední vrstva zvaná metalimnion (nebo termoklina) odděluje horní a spodní vrstvu a vyznačuje se rychlou změnou teploty vody. Toto oddělení je často dostatečně silné na to, aby odolalo promíchání vrstev větrem.

K nejextrémnější teplotní stratifikaci dochází v jezerech během teplých letních měsíců. Během podzimního obratu se epilimnion ochlazuje, klesá a propadá se pod termoklinu, což vede k promíchávání. Tepelná stratifikace jezera závisí na jeho hloubce, tvaru a velikosti. U některých malých, mělkých jezer nemusí docházet k sezónní teplotní stratifikaci, protože vítr promíchává celé jezero. U jiných jezer, jako je například Erijské jezero, dochází díky kombinaci geografické polohy a hloubky vody k pravidelné teplotní stratifikaci.

Obrázek 1: Teplota vody a teplotní stratifikace jezera.

Kyslík může do jezera vstupovat třemi různými cestami. Hlavním mechanismem je atmosférická difuze, kdy je kyslík ze vzduchu absorbován povrchovou vodou v důsledku rozdílu koncentrací kyslíku. Za druhé, vodní rostliny fotosyntetizují a uvolňují kyslík do vody. A konečně řeky a potoky přinášejí okysličenou vodu do jezera. Ve stratifikovaných jezerech dostává hypolimnion málo kyslíku z atmosférické difúze a je příliš tmavý na to, aby podporoval život rostlin produkujících kyslík. Přísun z řek má na obsah kyslíku ve velkých vodních plochách, jako je Erijské jezero, jen minimální vliv. Hluboký hypolimnion tak během letní teplotní stratifikace dostává jen velmi málo rozpuštěného kyslíku.

Jezera lze popsat podle jejich produktivity. Ta označuje množství živin dostupných v jezeře a primární produkci neboli růst rostlin a řas, který podporují. Definování trofického stavu (živin nebo růstu) je prostředkem klasifikace jezer z hlediska úrovně jejich produktivity. Určené trofické úrovně jsou:

• Oligotrofní (olig-oh-trof-ik) – oligotrofní jezero má nízkou koncentraci živin a nízký růst rostlin (např. Hořejší jezero). Obvykle se považuje za jezero s nízkou produktivitou.
• Eutrofní (yoo-trof-ik) – Eutrofní jezero má vysoké koncentrace živin a vysoký růst rostlin. (např. Erijské jezero). Je považováno za jezero s vysokou produktivitou.
• Mezotrofní (meso-trof-ik) – Mezotrofní jezera se nacházejí někde mezi eutrofními a oligotrofními jezery. Jsou považována za jezera se střední produktivitou.

V eutrofních jezerech, jako je například Erijské jezero, dochází v létě k velkému kvetení řas na hladině. Řasy potřebují k vytvoření těchto květů velké množství živin. Jak řasy odumírají, květ klesá ke dnu a je rozkládán bakteriemi. Rozklad bakteriemi neboli biologické rozdělení látky na jednodušší prvky vyžaduje kyslík. Spotřeba kyslíku a nízký přísun kyslíku v hypolimniu společně vytvářejí extrémně nízké hladiny kyslíku během teplotní stratifikace.

Obrázek 2. Mrtvé zóny v jezeře Erie v letech 1970-2002.

Jakmile hladina rozpuštěného kyslíku klesne pod 2 mg/l, je voda označována jako hypoxická. Jakmile se blíží 0mg/l, stává se anoxickou. Mrtvá zóna je oblast v jezeře, která je buď hypoxická, nebo anoxická a ve které může přežít jen málo organismů. Organismy, které spotřebovávají kyslík, se v mrtvých zónách buď udusí, nebo oblast opustí. Podle michiganských norem kvality vody je pro studenovodní ryby potřebná minimální koncentrace kyslíku 7 mg/l a pro teplovodní ryby minimálně 5 mg/l (MDEQ, 1994).

Obr. 3. Mrtvá zóna. Mapa batymetrie jezera Erie (Kredit:NOAA).

V mělké centrální pánvi jezera Erie se vyskytují mrtvé zóny. Vědci v celé povodí Velkých jezer monitorují jezero sběrem a sdílením údajů o kvalitě vody, aby lépe pochopili, co přispívá ke vzniku mrtvých zón. Jedním z uživatelsky nejpřívětivějších datových portálů je projekt Great Lakes FieldScope. Tento projekt, vytvořený na základě partnerství mezi Michigan Sea Grant a National Geographic, shromažďuje údaje o kvalitě vody v oblasti Velkých jezer a umožňuje uživatelům zadávat vlastní údaje nebo zkoumat regionální údaje o kvalitě vody pomocí grafů a map. Program je uživatelsky přívětivý a dostatečně robustní, aby umožnil provádět základní vědecká šetření – ideální pro úvodní lekci o teplotní stratifikaci a mrtvých zónách.

Následující lekce je použitelná pro studenty středních škol (třídy 6-8). Zkoumá údaje o kvalitě vody uložené v databázi projektu Great Lakes FieldScope a využívá interaktivní analytické a mapovací nástroje založené na FieldScope. Tuto lekci spolu s pracovním listem a klíčem k datům naleznete také na webových stránkách Michigan Sea Grant na adrese www.michiganseagrant.org/lessons/. Klikněte na záložku Explore Lessons & Data a poté vyhledejte Oxygen in Water (Kyslík ve vodě).

Engage

Tato část lekce by měla studenty zaujmout, pokud možno navázat na předchozí práci v kurzu a představit téma.

1. Začněte otázkou, zda někdo ze studentů plaval v létě v jezeře nebo rybníku a cítil u nohou studenou vodu. Pokud ano, mohli pocítit teplotní rozvrstvení. Zeptejte se studentů, zda dokáží definovat termální stratifikaci, a poté objasněte, co to je, s využitím výše uvedených základních informací. Vyzvěte studenty, aby se ptali na důvody stratifikace vody. Pedagogové mohou tepelnou stratifikaci přirovnat k vrstvení, ke kterému dochází u oleje a octa. Olej a ocet mají různou hustotu, a proto jeden plave na druhém. Je to podobné jako u vody při různých teplotách. Studená voda je hustší než teplá. Hustší voda se potápí a teplejší voda plave, čímž vznikají vrstvy. Toto je dobrá příležitost představit obrázek 1 a poskytnout studentům možnost klást otázky.

1. Ptejte se, zda studenti vědí o rozpuštěném kyslíku. Abyste jim pomohli pochopit tuto myšlenku, zeptejte se jich, zda někdy viděli bublinkový kámen v akváriu. Pokud ano, zeptejte se, proč se používají. Některé odpovědi mohou být následující: Bublinkové kameny zajišťují cirkulaci vody a zvyšují hladinu kyslíku v akváriích tím, že do systému přímo přivádějí kyslík a zvyšují množství vody, která přichází do styku se vzduchem. To podporuje atmosférickou difúzi kyslíku do vody.

1. Nyní diskutujte o difúzi vzduchu v měřítku jezera. Jakými způsoby může jezero přijímat kyslík? Proberte výše uvedené základní informace, aby žáci věděli o třech způsobech difúze kyslíku. Většina studentů ví, že rostliny produkují kyslík, a pedagogové mohou tuto myšlenku propojit s vodním prostředím. Zeptejte se studentů, proč si mohou myslet, že je rozpuštěný kyslík v jezeře důležitý. Ujistěte se, že studenti chápou, že stejně jako suchozemští živočichové i vodní živočichové potřebují kyslík. Popište, kolik kyslíku potřebují studenovodní a teplovodní ryby. Poté vysvětlete, jak může být hladina kyslíku v určitých ročních obdobích velmi nízká v důsledku teplotní stratifikace. Představte pojem mrtvé zóny. To je dobrá příležitost k zobrazení obrázku 2.

Prozkoumat & Vysvětlit

• Aktivita: Jak se mění množství rozpuštěného kyslíku v závislosti na hloubce jezera a teplotní stratifikaci (s Great Lakes FieldScope)
  Souhrn: Studenti budou schopni popsat, jak teplotní stratifikace jezera a množství rozpuštěného kyslíku souvisí se schopností jezera podporovat život živočichů.
  Čas: 50 minut vyučovací hodiny.

Pracovat

V této části jsou studentům k dispozici další zdroje o hypoxii. Ty poskytují informace o tom, jak může hladina rozpuštěného kyslíku ovlivnit důležité služby, jako je pitná voda a rekreace.

Zdroje:

• Škodlivé květy řas a hypoxie
• Faktografický list o jezeře Erie
• Experimentální systém varování před hypoxií
• Faktografický list o hypoxii
• Co je mrtvá zóna
• Co způsobuje mrtvou zónu?

Otázky k diskusi:

• Jak může hladina rozpuštěného kyslíku ovlivnit organismy žijící v jezeře
• Jak může lidská činnost ovlivnit mrtvé zóny?
• Jaké dopady má hypoxie na ekosystém/potravní síť jezera Erie?

Studenti by měli spojit vše, co se doposud naučili, a vypracovat mini zprávu a prezentovat své výsledky zbytku třídy. Zpráva by mohla obsahovat grafy, odpovědi na otázky v pracovním listu a v diskusi a informace získané z této lekce a níže uvedených zdrojů.

Vyhodnocení

Vyhodnocování probíhá. Tato část lekce a aktivity dává pedagogovi možnost flexibilně hodnotit a sledovat pokrok studentů.

Jedním ze způsobů, jak vyhodnotit, zda studenti chápou, jak vznikají mrtvé zóny, je nechat je vytvořit schéma kroků při vytváření mrtvé zóny v eutrofním jezeře. Diagram se může skládat z políček a šipek protékajících jezerem. Začalo by to přísunem živin, následoval by květ řas, které odumírají a klesají ke dnu. Nakonec bakterie řasy rozloží, čímž se sníží hladina kyslíku a vznikne mrtvá zóna. Schéma by zahrnovalo také epilimnion, metalimnion a hypolimnion.

Na základě aktivity a diskuse ve třídě by studenti měli být navíc schopni:

• Popsat, co je to teplotní stratifikace a proč se některá jezera v oblastech mírného pásma stratifikují.
• Pochopit, jak tepelná stratifikace jezer ovlivňuje rozpuštěný kyslík.
• Konstruovat a interpretovat grafy rozpuštěného kyslíku a hloubky vody.
• Pochopit a definovat hypoxické zóny, anoxické zóny a mrtvé zóny.
• Diskutovat o významu rozpuštěného kyslíku pro organismy.

Aktivity

• Jak se mění rozpuštěný kyslík v závislosti na hloubce jezera a teplotní stratifikaci (s Great Lakes FieldScope)
  Souhrn: Studenti budou schopni popsat, jak teplotní stratifikace jezera a hladina rozpuštěného kyslíku souvisí se schopností jezera podporovat život živočichů.
  Čas: 50 minutová vyučovací hodina.
• Grafické znázornění teplot
  Souhrn: Znázornění teplot vody v jezeře Erie od hladiny po dno jezera.
  Čas: Znázornění teplot vody v jezeře od hladiny po dno jezera: Jedna 50minutová vyučovací hodina
  Mrtvé zóny – lekce 3 Aktivita A: Standardy a hodnocení
• Zásobování vzduchem: Znázornění rozpuštěného kyslíku v grafu
  Souhrn: Znázorněte rozpuštěný kyslík od hladiny po dno jezera Erie.
  Čas: dvě vyučovací hodiny po 50 minutách
  Mrtvé zóny – lekce 3 Aktivita B: Standardy a hodnocení

Další obrázky & Zdroje

• Batymetrie jezera Erie
• Škodlivý rozkvět řas a hypoxie
• Lake Erie Factsheet
• Experimental Hypoxia Warning System
• Hypoxia Factsheet
• Co je to mrtvá zóna?
• Co způsobuje mrtvou zónu?

Lekce & Zdroje dat

Systém předpovědi pobřeží Velkých jezer. NOAA-Great Lakes Environmental Research Laboratory (GLERL) Ann Arbor, MI 48108. Autoři: Mgr: Schwab, DJ, Beletsky, D, Bedford, KW, Lang, GA.

Great Lakes Water Data Sets for Teachers. Eastern Michigan University, Ypsilanti, MI 48197. Projekt podporovaný Úřadem pro vzdělávání a osvětu v Laboratoři pro výzkum životního prostředí Velkých jezer NOAA, Ann Arbor, 48108. Autoři: Mgr: 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 – Mrtvá zóna. Louisiana Sea Grant. Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803. Autoři: Mgr: Lindstedt, D.Webové stránky, navštíveno 1. prosince 2009.

Michigan Department of Environmental Quality (MDEQ). 1994. Dissolved Oxygen (Rozpuštěný kyslík). 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. Autoři: Mgr: Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Webové stránky, navštíveno 1. prosince 2009.

.