Svetlost,temperatura i termički režim u kopnenim vodenim ekosistemima

Transcript

1 Svetlost,temperatura i termički režim u kopnenim vodenim ekosistemima

2 Solarna radijacija je od ključne važnosti za dinamiku akvatičnih ekosistema. Gotovo sva energija koja kontroliše metabolizam jezera i reka vodi poreklo od solarne energije transformisane u procesima fotosinteze. Energija koja je uskladištena fotozintezom u formi organske materije može biti različitog porekla: Autohtonog porekla je ako se sintetiše u jezeru ili reci ili Alohtonog porekla ako se sintetiše u slivom području i na različite načine dospe u reku ili jezero

3 Apsorpcija solarne energije, njeno rasipanje u obliku toplote ima veliki značaj na termalnu srukturu, stratifikaciju vodenih masa, cirkulatorne šablone u jezerima. Cirkulacija nutrijenata, distribucija rastvorenih gasova, bihevoralne adaptacije organizama su snažno uslovljene termalnim strukturama i šablonima stratifikacije. Zbog svega toga, optičke karakteristike jezera i drugih vodenih ekosistema su veoma bitne kao regulatorni parametri u fiziolgiji i ponašanju vodenih organizama. Termin svetlost često dovodi do zabune i to zbog činjenice da se koristi i kao apsolutno fizički termin, i u smislu reakcije vizuelnih receptora, i u smislu odgvora biljaka na svetlosnu energiju.

4

5 Elektromagnetno zračenje je opisano frekfencijom i talasnom dužinom. Sa jedne strane je kao ekstrem kosmičko zračenje koje ima visoku frekfenciju i kratke talasne dužine, a sa druge je radio zračenje koje ima nisku frekfenciju i znatne talasne dužine. Solarna radijacija se sastoji od talasnih dužina 100 do >3000 nm, od ultravioletnih do infracrvenog zračenja. Kako sunčevo zračenje prodire i difunduje u zemljinu atmosferu energija određenih talasnih dužina se znatno smanjuje putem rasejanja. Vidljivi deo spektra sa maksimumom energetskog fluksa u plavom i zelenom spektru (480 nm), predstavlja samo mali deo sunčeve radijacije.

6 Energija ultravioletnog zračenja se u velikoj meri apsorbuje od strane ozona i kiseonika, a infracrveno zračenje se više absorbuje vodenom parom, ozonom i ugljen-dioksidom.

7 Da bi smo istražili mehanizme u kojima živi organizmi reaguju na svetlosnu energiju, neophodno je sagledati svetlo kao zračenje čiji se paketići energije nazivaju fotonima Foton je puls elektromagnetne energije, i kako se ova energija širi, ona ima električno (E) i magnetno (H) polje u pravcu fluksa i ima : talasnu dužinu (l) i amplitudu (A)

8 Apsorpcija svetla atomima i molekulima je moguća kada su elektroni atoma i molekula u rezonanci sa frekfencijom energetskog stanja fotona. U sudaru elektrona i fotona elektron dobija kvantum energije koju je foton izgubio. Veoma je bitno imati na umu ovu bazičnu fotohemijsku relaciju, jer je kvantum energije koji je dobijen od fotona u funkciji frekfencije i svaki molekul ili atom ima jedinstveni set apsorpcijskih karakteristika. Živa materija reaguje na kvantum energije fotona samo sa specifičnom frekfencijom.

9 Energija fotona u elektromagnetnom spektru je proporcionalna frekfenciji i obrnuto proporcionalna talasnoj dužini u skladu sa Plankovom konstantom: e=hv Gde je: e=energija fotona h=plankova konstanta 6,63x10-27 v=frekfedncija radijacije

10 Kada se energija izrazi nasuprot frekfencije pravi maksimum energije solarne radijacije je u infracrvenim dužinama nekad veći od 1000 nm ili 1mm Srednja vrednost radijacije se nalazi blizu infracrvenog dela spektra na talasnim dužinama od 710 nm, neznatno iznad vidljivog opsega. Veliki procenat (29%) radijacije je sa talasnim dužinama većim od 100 nm i 50% pripada crvenom delu vidljivog opsega. Veći deo radijacije dospe do površine vodenih ekosistema u infracrvenom delu spektra i ima ogroman termalni efekat na akvatične sisteme.

11 Talasna dužina je kvantitativni parametar za bilo koji tip periodičnog kretanja, ne samo za svetlost već i za vodene pokrete. Definiše se kao linearno rastojanje između susednih pikova talasa i jednaka je odnosu brzine svetlosti u cm (c=2.998x10 10 cm/sec) i frekfence (v) u Hz l=c/v Brzina svetlosti se redukuje skoro po linearnom pravilu kako prolazi kroz materijale sa povećanom gustinom supstanca brzina cm/sec Vakum x Vazduh x Voda x Staklo x 10 10

12

13 Intenzitet zračenja sa Sunca iznad zemljine atmosfere zavisi od udaljenosti između sunca i zemlje. Tokom godine se ta udaljenost menja od 147 d0 152 miliona kilometara zbog čega se i intenzitet zračenja iznad atmosfere menja od 1323 W/m 2 i 1412 W/m 2. Srednja vrednost intenziteta zračenja se naziva Solarna konstanta E o =1367 W/m 2

14 Apsorpcioni kapacitet atmosfere zavisi od kiseonika, ozona, ugljen dioksida, vodene pare i sl. Atmosferska transparentnost može značajno biti modifikovana industrijskim i uopšte urbanim zagađenjem. Direktna radijacija je onaj deo Sunčeve radijacije loji se netaknut probija do površine zemlje. Deo sunčeve radijacije će apsorbovati vodena para, ugljen IV oksid, kiseonik, ozon koji upijaju tačno određene delove spektra. Takva proređena radijacija se zove Selektivna radijacija. Difuzna radijacija je Sunčeva radijacija koja do nas ne dolazi direktno, nego na putu kroz atmosferu menja smer ili spektralni sastav. Zbog difuzne radijacije nije potpuno mračno kada su na nebu oblaci, u zoru ili u sumrak. Svetla ima i kada nevidimo Sunce jer se zraci reflektuju od sitnih čestica u atmosferi. Zbir direktne i difuzne radijacije daju globalnu radijaciju.

15 Ne prodire sva Solarna radijacija koja dospe do vodenog tela u dati ekosistem. Značajni procenat se reflektuje sa površine i gubi se iz sistema sve dok se vrati ponovo do vode ili zbog odbijanja u atmosferi ili okolne topografije.

16 Reflektovanje Solarne radijacije varira znatno od ugla pod kojim zraci dolaze, karakteristika same vode, topografije okolnog terena i meteroloških uslova. Refleksija nepolarizovanog direktnog sunčevog zračenja kao i frakcije indirektnog svetla računa se kao: R=1/2 [sin2(i-r)/sin2(i+r) + tan2(i-r)/tan2(i+r)] Gde je i=upadni ugao, r=ugao refrakcije Kada je površina vode uzburkana pokretima, refleksija raste. Refleksija se smanjuje blago kada su talasi veliki i kada je svetlo ima upadni ugao bliži pravom uglu.

17 Glacijalne pojave Pleistocena, za razliku od onih koje su se dešavale u ranijim periodima, nisu uzrokovane pomeranjem kontinenata. U prošlosti su naučnici ove pojave pripisivali promenama u količini solarne radijacije. Međutim, dok je količina solarne radijacije varirala za čak 25 do 30% tokom zemljine istorije duge 4.5 milijardi godina, vrlo se malo promenila tokom Fanerozoika (poslednjih 590 miliona godina). Umesto toga, klimatski prevrati Pleistocena bili su uzrokovani promenama u zemljinoj orbiti što je uticalo na količinu solarne radijacije koja je dolazila do biosfere. Tri karakteristike zemljine orbite oko Sunca se menjaju tokom vremena, a svaka od njih ima karakterističnu periodičnost. Ove promene se nazivaju Milankovićevi ciklusi prema srpskom astrofizičaru Milutinu Milankoviću koji ih je otkrio.

18 Kao prvo, Zemljina orbita nije savršeno kružna, već varira u eliptičnosti ili ekscentričnosti sa periodom od godina. Kao drugo, nagib Zemlje na njenoj osi, njen ugao nagiba varira od 22.1 o do 24.5 o sa periodom od godina. Na kraju, Zemljina orijentacija ili precesija šeta, sa osom Severnog pola koja se pomera od jedne severne zvezde (trenutno zvezda Polaris u sazvežđu Malog medveda) do druge (Vega iz sazvežđa Lire) sa periodičnošću od otprilike godina. Zajednički uticaji ovih cikličnih promena u orbiti Zemlje uzrokuju znatne fluktuacije u količini i sezonskoj promeni solarne energije koja dolazi do Zemlje a koja se na kraju spaja na složen način kako bi dovela do glacijalnih međuglacijalnih ciklusa i klimatskih prevrata Pleistocena.

19 Na tranzicije između glacijalnih i međuglacijalnih perioda uticali neki značajni povratni efekti. Za vreme početnih stupnjeva glacijacije površine leda i snega koje su se stvarale su povećavale refleksiju albedo efekat na sve većim površinama Zemlje. Ovaj fenomen je smanjio efektivno solarno zagrevanje planete i još povećao stope hlađenja dovodeći do još brže glacijacije. Obrnuti proces, deglacijacija, ubrzava pomoću povratnih i sekundarnih pokretačkih sila, uključujući promene u okeanskim strujama i sastavu atmosfere. Izgleda da su se glečeri topili mnogo brže nego što su nastajali suviše brzo da bi se objasnili samo usled relativno malih promena u zemljinoj orbiti. Umesto toga, otapanje glečera izgleda da je bilo ubrzano globalnim promenama u koncentraciji čestica magle, vodene pare, a naročito ugljen dioksida i metana. Očigledno da je globalno zagrevanje ubrzalo prirodno biogeno ispuštanje ovih gasova staklene bašte u atmosferu. U stvari, ovo prirodno biogeno zagrevanje je možda uzrok povišenja temperature za čak pola od 4.5 oc od poslednje glacijacije.

20 Jezerska voda se ponaša kao crno telo. Zbog refleksije se 97 % termalne radijacije emituje u atmosferu. Atmosfera se ne ponaša kao crno telo. Neto radijacija koja deluje na jezero se izražava kao: Q b =Q s +Q h +Q a -Q r -Q u -Q w Qs=direktna Solarna radijacija Qh=indirektna I reflektovana radijacija sa oblaka Qa=dugotalasna termalna radijacija iz atmosfere i okolne topografije Qr=radijacija reflektovana sa jezera Qu=rasuta radijacija koja je izgubljena Qw=emisija dugotalasne radijacije. Noću, većina komponenti je nedostupna pa neto radijacija postaje jednaka dugotalasnoj termalnoj radijaciji umanjenoj onom koja se emituje sa vode. Qb=Qa-Qw

21 Apsorpcija svetlosti je umanjenje svetlosne energije sa porastom dubine i njeno pretvaranje u toplotu. Rastvorene organske materije drastično povećavaju apsorpciju svetlosti. Selektivna apsorpcija je najveća u infracrvenim i crvenim talasnim dužinama što zajedno sa apsorpcijom same vode u infracrvenoj blasti dovodi do zagrevanja površine vode. Čak i vrlo mala koncentracija rastvorenih organskih materija znatno povećava apsorpciju u UV, plavom i zelenom delu spektra. Zbog toga, u stajaćim vodama dominantne talasne dužine koje prodiru na značajne dubine jesu u u žutom i crvenom delu spektra.

22 Vertikalni koeficijent prigušenja svetla (η po metru) je izraz eksponencijalnog slabljenja zračenja sa dubinom u odnosu na ono koje je na površini. Totalno preigušenje (η t ) prirodnih voda je suma apsorpcija od strane same vode (η w ), rastvorenih komponenti (η c ), i suspendovanih čestica u vodi (η p ) η t= = η w + η p + η c

23 U vodenim ekosistemima svetlost je uslov za postojanje autotrofnih organizama. Za životinjske organizme, svetlost ima signalno značenje (izraženo fotodinamičkim efektom). U nekim slučajevima svetlost deluje na biohemijske procese u organizmu (stvaranje vitamina), na način razmnožavanja, na boju hidrobionata isl.

24 Osnovni izvor svetla u vodi je Sunčeva radijacija, ali to mogu biti i hidrobionti koji žive na velikim dubinama i imaju svojstvo bioluminescencije. Biološki značaj bioluminescencije je prvenstveno u privlačenju jedinki drugog pola i zaštiti.

25 Dostupnost svetla u rekama E can je totalna svetlost koja je dostupna reci pre nego što je umanji senka topografskih elemenata i riparijalne vegetacije, gde je s koeficijent senke. E o je iznos svetlosti koji ulazi u vodeni stub posle refleksije na dodirnoj površini vazduh-voda gde je r koeficijent refleksije. E bed je iznos svetla koji dospeva do rečnog dna posle prolaska kroz stub vode i određen je optičkim kvalitetom vode (preko k d -koeficijenta difuzije) i dubinom vode (y)

26