Upplöst syre och sjöstratifiering

Syre är nyckeln till liv – de flesta organismer kan inte överleva utan syre, även de som befinner sig under vatten. Säsongens vädermönster och vattnets fysiska egenskaper kan påverka temperatur och nivåer av löst syre i hela vattenpelaren. Varför är detta viktigt? Därför att säsongens vädermönster och cykler är direkt relaterade till hur mycket liv en vattenmiljö kan stödja.

Nivåer: Nivåer: Mellanliggande skola 5:e-8:e klass

Prestationsförväntningar:

• MS-ESS3-4 Jorden och mänsklig aktivitet: Konstruera ett argument med stöd av bevis för hur ökningen av människans befolkning och konsumtionen av naturresurser per capita påverkar jordens system.
• MS-LS2-4 Ekosystem: Interaktioner, energi och dynamik: Konstruera ett argument som stöds av empiriska bevis för att förändringar av fysiska eller biologiska komponenter i ett ekosystem påverkar populationer.

För anpassning, se Next Generation Science Standards Summary

Mål: Eleverna ska kunna beskriva hur sjöars termiska skiktning och nivåer av löst syre förhåller sig till en sjös förmåga att stödja djurliv. Den här lektionen och aktiviteten använder sig av den 5 E-lärandecykeln. Om du vill veta mer kan du läsa detta faktablad om 5E-instruktionsmodellen.

Mål

När de har slutfört den här lektionen kommer eleverna att kunna:

• Beskriv vad termisk skiktning är och varför vissa sjöar i tempererade regioner skiktas.
• Sammanfatta hur termisk skiktning i sjöar påverkar det lösta syret.
• Konstruera och tolka grafer över löst syre och vattendjup.
• Förstå och definiera hypoxiska zoner, anoxiska zoner och döda zoner.
• Diskutera betydelsen av löst syre för organismer.
• Förstå sambandet mellan tillförsel av näringsämnen och döda zoner.

Termer att känna till i slutet av lektionen:

• Löst syre
• Omsättning
• Atmosfärisk diffusion
• Termisk skiktning
• Hypolimnion, metallimnion och epilimnion
• Produktivitet
• Hypoxisk zon
• Anoxisk zon
• Död zon
• Bakteriell nedbrytning

Bakgrund

Från sen vår till tidig höst, upplever vissa sjöar i tempererade klimat termisk skiktning, ett fenomen där sjöar delas upp i tre olika termiska skikt (figur 1). Solens uppvärmning av vattenytan orsakar variationer i vattnets densitet och initierar termisk skiktning. Det kallare, tätare vattnet lägger sig på sjöns botten och bildar hypolimnion. Ett lager av varmare vatten, kallat epilimnion, flyter ovanpå. Ett tunt mellanskikt som kallas metalimnion (eller termoklinen) skiljer de övre och nedre lagren åt och kännetecknas av en snabb förändring av vattentemperaturen. Denna separation är ofta tillräckligt stark för att motstå att skikten blandas av vinden.

Den mest extrema termiska skiktningen förekommer i sjöar under de varma sommarmånaderna. Under höstskiftet kyls epilimnion av, sjunker och sjunker under termoklinen, vilket resulterar i blandning. Den termiska skiktningen i en sjö beror på sjöns djup, form och storlek. Vissa små, grunda sjöar kanske inte upplever säsongsmässig termisk skiktning eftersom vinden blandar hela sjön. Andra sjöar, som Lake Erie, har en kombination av geografiskt läge och vattendjup som regelbundet ger termisk skiktning.

Figur 1: Vattentemperatur och termisk skiktning i sjöar.

Syran kan komma in i en sjö via tre olika vägar. Den viktigaste mekanismen är atmosfärisk diffusion där syre i luften absorberas av ytvattnet på grund av en skillnad i syrekoncentrationer. För det andra fotosyntetiserar vattenväxter och släpper ut syre i vattnet. Slutligen för floder och bäckar in syrerikt vatten i sjön. I skiktade sjöar får hypolimnion lite syre från atmosfärisk diffusion och är för mörkt för att stödja syreproducerande växtliv. Flodtillförseln har endast en minimal inverkan på syrehalten i stora vattenförekomster som Eriesjön. Därför får den djupa hypolimnion mycket lite löst syre under sommarens termiska skiktning.

Sjöar kan beskrivas med hjälp av sin produktivitet. Detta avser mängden näringsämnen som finns tillgängliga i en sjö och den primärproduktion, eller växt- och algtillväxt, som de stöder. Att definiera trofisk status (näringsämnen eller tillväxt) är ett sätt att klassificera sjöar i termer av deras produktivitetsnivåer. Identifierade trofinivåer är:

• Oligotrof (olig-oh-trof-ik) – En oligotrof sjö har låga koncentrationer av näringsämnen och låg växttillväxt (t.ex. Lake Superior). Den anses vanligtvis ha låg produktivitet.
• Eutrof (yoo-trof-ik) – En eutrof sjö har höga koncentrationer av näringsämnen och hög växttillväxt. (t.ex. Eriesjön). Den anses ha hög produktivitet.
• Mesotrofisk (meso-trof-ik) – Mesotrofa sjöar ligger någonstans mellan eutrofa och oligotrofa sjöar. De anses ha genomsnittlig produktivitet.

I eutrofa sjöar, till exempel Eriesjön, växer stora algblomningar vid ytan under sommaren. Algerna behöver stora mängder näringsämnen för att kunna bilda dessa blomningar. När algerna dör sjunker blomningen till botten och bryts ner av bakterier. Bakteriernas nedbrytning, dvs. den biologiska uppdelningen av ett ämne i enklare beståndsdelar, kräver syre. Syreförbrukning och låg syretillförsel i hypolimnion skapar tillsammans extremt låga syrehalter under termisk skiktning.

Figur 2. Döda zoner i Lake Erie 1970-2002.

När halten löst syre sjunker under 2 mg/l beskrivs vattnet som hypoxiskt. När den närmar sig 0 mg/l blir den anoxisk. En död zon är ett område i en sjö som antingen är hypoxiskt eller anoxiskt och där få organismer kan överleva. Syreförbrukande organismer i döda zoner kvävs antingen eller lämnar området. Enligt Michigans vattenkvalitetsnormer behövs en minsta syrekoncentration på 7 mg/l för kallvattenfiskar och minst 5 mg/l för varmvattenfiskar (MDEQ, 1994).

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

Den grunda centrala bassängen i Lake Erie uppvisar döda zoner. Forskare i hela Great Lakes-bäckenet övervakar sjön genom att samla in och dela med sig av vattenkvalitetsdata för att bättre förstå vad som bidrar till bildandet av döda zoner. En av de mest användarvänliga dataportalerna är Great Lakes FieldScope-projektet. Projektet har skapats genom ett samarbete mellan Michigan Sea Grant och National Geographic och samlar in vattenkvalitetsdata från området kring de stora sjöarna. Användarna kan lägga in egna data eller utforska regionala vattenkvalitetsdata med hjälp av grafer och kartor. Programmet är användarvänligt och tillräckligt robust för att göra grundläggande vetenskapliga undersökningar – perfekt för en inledande lektion om termisk skiktning och döda zoner.

Följande lektion är tillämplig för elever på mellanstadiet (årskurs 6-8). Den utforskar vattenkvalitetsdata som lagras i Great Lakes FieldScope-projektets databas och använder FieldScope-baserade interaktiva analys- och kartläggningsverktyg. Denna lektion, tillsammans med arbetsbladet för data och nyckeln till arbetsbladet för data, finns också på Michigan Sea Grants webbplats på www.michiganseagrant.org/lessons/. Klicka på fliken Explore Lessons & Data och sök sedan efter Oxygen in Water.

Engage

Denna del av lektionen ska fånga elevernas intresse, om möjligt knyta an till tidigare kursarbete och introducera ämnet.

1. Förbered dig på att fråga om någon av eleverna har simmat i en sjö eller damm under sommaren och känt kallt vatten vid sina fötter. Om så är fallet kan de ha känt termisk skiktning. Fråga eleverna om de kan definiera termisk skiktning och förtydliga sedan vad det är med hjälp av bakgrundsinformationen ovan. Uppmuntra eleverna att ställa frågor om varför vatten skiktas. Pedagogerna kan relatera termisk skiktning till den skiktning som sker med olja och vinäger. Olja och vinäger har olika densitet och därför flyter den ena på den andra. Detta liknar vatten vid olika temperaturer. Kallt vatten är tätare än varmt vatten. Det tätare vattnet sjunker och det varmare vattnet flyter, vilket ger upphov till skiktningar. Detta är ett bra tillfälle att presentera figur 1 och ge eleverna möjlighet att ställa frågor.

1. Fråga om eleverna vet något om löst syre. För att hjälpa dem att förstå idén, fråga om de någonsin har sett en bubbelsten i ett akvarium. Om så är fallet, fråga varför de används. Några svar kan vara: Bubbelstenar cirkulerar vatten och ökar syrehalten i akvarier genom att direkt tillföra syre till systemet och genom att öka mängden vatten som kommer i kontakt med luften. Detta främjar atmosfärisk diffusion av syre i vattnet.

1. Diskutera nu luftdiffusion i sjöskala. På vilka sätt kan en sjö få syre? Diskutera bakgrundsinformationen ovan så att eleverna känner till de tre metoderna för syrgasdiffusion. De flesta elever vet att växter producerar syre, och pedagogerna kan koppla denna idé till vattenmiljön. Fråga eleverna varför de kanske tror att löst syre är viktigt i en sjö. Se till att eleverna förstår att vattenlevande djur, precis som landlevande djur, behöver syre. Beskriv hur mycket syre kallvatten- och varmvattenfiskar behöver. Förklara sedan hur syrehalten kan bli mycket låg vid vissa tider på året på grund av termisk skiktning. Introducera begreppet döda zoner. Detta är ett bra tillfälle att visa figur 2.

Explore & Explain

• Aktivitet: Hur löst syre varierar med sjöns djup och termiska skiktning (med Great Lakes FieldScope)
  Sammanfattning: Eleverna kommer att kunna beskriva hur sjöns termiska skiktning och nivåer av löst syre relaterar till en sjös förmåga att stödja djurlivet.
  Tid: 50 minuters lektionstid.

Upparbeta

I det här avsnittet får eleverna tillgång till ytterligare resurser om hypoxi. Dessa ger information om hur nivåerna av löst syre kan påverka viktiga tjänster som dricksvatten och rekreation.

Resurser:

• Härliga algblomningar och hypoxi
• Faktablad om Lake Erie
• Experimentellt varningssystem för hypoxi
• Faktablad om hypoxi
• Vad är en död zon
• Vad orsakar en död zon?

Diskussionsfrågor:

• Hur kan nivån av löst syre påverka organismer som lever i en sjö?
• Hur kan mänsklig verksamhet påverka döda zoner?
• Vilka effekter har hypoxi på ekosystemet/näringsväven i Eriesjön?

Studenterna ska kombinera allt de har lärt sig hittills för att ta fram en minirapport och presentera sina resultat för resten av klassen. Rapporten kan innehålla grafer, svar på arbetsbladet och diskussionsfrågor samt information från den här lektionen och de resurser som tillhandahålls nedan.

Utvärdera

Utvärderingen pågår. Denna del av lektionen och aktiviteten ger pedagogen flexibilitet att bedöma och övervaka elevernas framsteg.

Ett sätt att utvärdera om eleverna förstår hur döda zoner bildas är att låta dem skapa ett diagram över de steg som krävs för att skapa en död zon i en eutrof sjö. Diagrammet kan bestå av rutor och pilar som flyter genom en sjö. Det skulle börja med tillförsel av näringsämnen, följt av en algblomning som dör och sjunker till botten. Slutligen bryter bakterier ner algerna, vilket sänker syrehalten och leder till att en död zon bildas. Diagrammet skulle också innehålla epilimnion, metalimnion och hypolimnion.

Utifrån aktiviteten och klassdiskussionen ska eleverna dessutom kunna:

• Beskriv vad termisk skiktning är och varför vissa sjöar i tempererade regioner skiktas.
• Förstå hur sjöars termiska skiktning påverkar det lösta syret.
• Konstruera och tolka grafer över löst syre och vattendjup.
• Förstå och definiera hypoxiska zoner, anoxiska zoner och döda zoner.
• Diskutera betydelsen av löst syre för organismer.

Aktiviteter

• Hur löst syre varierar med sjödjup och termisk skiktning (med Great Lakes FieldScope)
  Sammanfattning: Eleverna kommer att kunna beskriva hur sjöars termiska skiktning och halter av löst syre hänger samman med en sjös förmåga att försörja djurliv.
  Tid: 50 minuter per lektion.
• Grafisk beräkning av temperaturer
  Sammanfattning: Grafisk beräkning av vattentemperaturer i Lake Erie från sjöns yta till botten.
  Tid: De studerande kan göra en grafisk beräkning av vattentemperaturer i Lake Erie från sjöns yta till botten: Tid: En lektion på 50 minuter
  Döda zoner – Lektion 3 Aktivitet A: Standarder och bedömning
• Lufttillförsel: Grafisk redovisning av löst syre
  Sammanfattning: Räkna ut det lösta syret från ytan till botten av Eriesjön.
  Tid: Två lektionspass på 50 minuter
  Döda zoner – Lektion 3 Aktivitet B: Standarder och bedömning

Tilläggsfigurer & Resurser

• Batymetri av Eriesjön
• Skadliga algblomningar och hypoxi
• Faktablad om Lake Erie
• Experimentellt varningssystem för hypoxi
• Faktablad om hypoxi
• Vad är en död zon?
• Vad orsakar en död zon?

Lektion & Datakällor

Great Lakes Coastal Forecasting System. NOAA-Great Lakes Environmental Research Laboratory (GLERL) Ann Arbor, MI 48108. Författare: Schwab, DJ, Beletsky, D, Bedford, KW, Lang, GA.

Great Lakes Water Data Sets for Teachers. Eastern Michigan University, Ypsilanti, MI 48197. Projektet stöds av Office of Education and Outreach vid NOAA:s Great Lakes Environmental Research Laboratory, Ann Arbor, 48108. Författare: Rutherford, S, Coffman, M, Marshall, A, Sturtevant, R, Klang, G, Schwab, D, LaPorte, E.

Louisiana Marine Education Resources – Gateways to Aquatic Science. På igen, av igen – den döda zonen. Louisiana Sea Grant. Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803. Författare: Lindstedt, D.Webbplats, besökt den 1 december 2009.

Michigan Department of Environmental Quality (MDEQ). 1994. Upplöst syre. 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. Författare: Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Webbplats, besökt den 1 december 2009.