ÖÖkolkolóógia gia éés s BiogeogrBiogeográáfiafia I.I.

HidrobiolHidrobiolóógia, 2008gia, 2008

Tematika:Tematika:

•• BevezetBevezetéés, a ~ ts, a ~ táárgya, a trgya, a tóó -- vvíízgyzgyűűjtjtőőterterüület kapcsolata, a vlet kapcsolata, a vííz legfontosabb z legfontosabb fizikai fizikai éés ks kéémiai tulajdonsmiai tulajdonsáágai; gai;

•• TavakTavak keletkezkeletkezéése, szukcesszise, szukcesszióója, rja, réétegzettstegzettséége; ge;

•• ÉÉlettlettáájak jak éés s ééllőőlléénytnytáársulrsuláások sok áállllóó-- éés s ááramlramlóóvizekbenvizekben;;

•• A vA víízi anyagforgalom zi anyagforgalom egyes sajegyes sajáátosstossáágai;gai;

Oktató: Török Júlia, torokjul@elte.huÁllatrendszertani és Ökológiai Tanszék, D. épület 7.611, /8762

hidro-lógia

Ökológia

Mikrobiológ

ia

Állat- és

növénytan fizika

kémia

geográfia

HidrobiolHidrobiolóógiagia

Genfi-tó (T.I.)

F. A. Forel Genfi-tóról szólómonográfiája

három kötetben, 1892-1904

A limnológia „alapköve”

Hidrobiológia mint szubdiszciplina elkülönülése az ökológián belül:az életfeltételek és források (és ezek vizsgálati körülményeinek) speciális jellege miatt alakult ki

Életfeltételek:

a vízi élőlényektől független, általuk befolyásolhatatlan tényezők

(víz fizikai tulajdonságai, pH*, meder adottságok, napsugárzás a vízfelszínig)

Források:

a vízi élőlények befolyásolják elérhetőségüket,

(fény, kémiai tulajdonságok egy része: pl. oldott O2 tartalom, tápanyagok, táplálékszervezetek)

Limitálnak, befolyásolják az élőlények abundanciáját, elterjedését

A hidrobiológia tárgya a vízi élőlények és ökoszisztámák tanulmányozása

Limnológia („tótan”):

1. tavak, tágabb értelemben kontinentális vizek (belvizek) tanulmányozása

2. „limnobiológia”: állóvízi élőlények és ökoszisztémák tana

Rheobiológia: áramlóvízi élőlények és ökoszisztémák tana

Talasszobiológia: tengeri élőlények és ökoszisztémák tana

A kezdeti vizsgálódásokat az alábbi megfontolások vezették:

A tavak: könnyen tanulmányozható rendszerek:1. Jól elhatárolódnak a fizikai környezettől, 2. Jól nyomonkövethetők az anyagáramlási útvonalak3. Termelők: fitoplankton4. Állatok: hálóval kigyűjthetők5. Rövid generációs idő, több generáció könnyen tanulmányozható6. Tápanyagok: oldatban, könnyen mérhetők7. Tó-történet: az üledékben felhalmozódó fosszíliák alapján nyomonkövethető

(paleolimnológia)

Mai nézet: a tó, mint ökoszisztéma nem vizsgálható a vízgyűjtőjétől függetlenül!

Más értelmezés szerint:

Hidrobiológia: leíró ismeretek

halmaza

Limnológia: rendszerszemléletű

megközelítés:

Vízi élőlények eloszlása:

Hidrológiai, geológiai, klimatológiai környezettel egységben értelmezi

vízgyűjtőterület jellege, víz visszatartás, tápanyagterhelés

miért éppen az adott mintázat alakul ki egy helyen? milyen általánosítások tehetők a mintázatok alapján?

közösségszerkezet alakulása?

különböző mintázatok

hogyan lehet ebből… …ilyen?

Cél:Az adott rendszer tulajdonságainak megismerése,

- predikciók megfogalmazása

- gyakorlati intézkedések → alkalmazási területek

A teljes édesvízkészlet becsült megoszlása a Földön

Víz térfogat (km3)teljes édesvíz-készlet % teljes vízkészlet %

Tavak, mocsarak 102,500 0.29% 0.008%folyók 2,120 0.006% 0.0002%teljes édesvízkészlet

35,030,000 100% 2.5%

Teljes vízkészlet 1,386,000,000 -- 100%forrás: Gleick, P. H., 1996: Water resources. In Encyclopedia of Climate and Weather, ed. by S. H. Schneider, Oxford University Press, New York, vol. 2, pp.817-823.

Vízgyűjtő terület

az adott víztestbe (tóba, folyóba) ömlő vízfolyások és a szárazföldi területek összessége

tó: tükrözi a vízgyűjtő terület méretét, topográfiáját, földtanát, használatát, a talaj minőségét és a vegetációt egyaránt

Jelentősége a tápanyagterhelésben nyilvánul meg szembetűnően

vízgyűjtő / tó területe

tápa

nyag

bevi

tel

minél nagyobb a vízgyűjtő, a víz szervesanyag terhelése annál magasabb

Szárazföldi szervesanyagprodukcióból (PS) származó oldott és partikuláris szervesanyag(DOM, POM) áramlása a felszíni és a felszínalatti vizekben a tó felé a nagy produktivitású wetland és litorális területeken keresztül

A nettó produktivitás (milliót/ha/év) összehasonlítóábrázolása ! !

A víz fizikai tulajdonságai

dipólus molekula, a 4 szomszédjához H-kötéssel kapcsolódik

A víz legfontosabb fizikai tulajdonságai: fajhő és sűrűség

fajhő: az az energiamennyiség, ami egységnyi mennyiségű víz 1ºC-kal történő emeléséhez szükséges;a víz fajhője a legmagasabb: 1cal/g/ºC (folyékony H, He, Li: szinténmagas), ennek következtében a víz hőklímája sokkal stabilabb, mint a szárazföldi környezeté;a tavak jelentős mennyiségű hőt tárolhatnak és lassan adják le azt;ha nagy a tó, ezáltal a környező szf. éghajlatát befolyásolja (téli-nyárihőingás kisebb)hatékony puffer a környezet hőmérsékletváltozásaival szemben;(élőlények testének víztartalma és a környezet víztartalma)

1,000

sűrű

ség (

g/cm3 )

-5 0 5 10 15 20 25

4°C

T (°C)

Sűrűség g/cm3 Fajlagos térfogat kg/l

Jég 0 °C-on 0,91860

0,99987

1,00000

0,99999

0,99973

0,99913

0,99823

0,99707

0,99568

0,99568

1,08865

Víz 0 °C-on 1,00013

Víz 4 °C-on 1,00000

Víz 5 °C-on 1,00001

Víz 10°C-on 1,00027

Víz 15°C-on 1,00087

Víz 20°C-on 1,00138

Víz 25°C-on 1,00177

Víz 30°C-on 1,00293

Víz 35°C-on 1,00434

A víz fizikai tulajdonságai

Sűrűség-anomália:

Legnagyobb sűrűsége nem a fagyásponton van

aggregátumok

A víz fizikai tulajdonságai

sűrűség: a tiszta víz legnagyobb sűrűsége: 1.000 g/cm3 3.94 ºC-on sűrűség és hőmérséklet között nemlineáris összefüggés tapasztalható;tiszta víz: 0.99987 g/cm3 0ºC-ontiszta jég: 0.9168 g/cm3 0ºC-on

4 ºC-on: ha a hőmérséklet nő, a sűrűség csökken, ha hűl, akkor is

jelentőség: tavak fagymentes környezete:

pl. hőmérséklet 10 ºC-ról 4 ºC-ra csökken: a felszíni víz lefelé áramlik, ezáltal konvekciós keveredés jön létre amíg a hőmérséklet különbség kinem egyenlítődik

ha 4ºC alá hűl a víz, a sűrűsége csökken, megszűnik a keveredés és a felszín alatti mélyebb vízrétegek később fagynak meg

ha a felszín 0 ºC-ra hűl, a víz megfagy, a jég sűrűsége 8%-a a vízének

tehát a felszínen marad, tovább késlelteti az alsó vízrétegek befagyását

a közepes mélységű tavakban az alsóbb vízrétegek nem fagynak be, azélővilág átvészeli a leghidegebb teleket is

Viszkozitás (dinamikus viszkozitás): a vízmolekulák kölcsönös vonzása révén fellépő súrlódás ellenállást fejt ki a mozgásra

(mértékegység: Pa/s, 1 pascal secundum= 1 kg /m /s jele: µ)

az élőlényeknek ezt le kell küzdeni, hogy mozogni tudjanak

nagysága függ a hőmérséklettől és (víz esetében kis mértékben) az oldott anyagoktól

kinematikus viszkozitás (ν): dinamikus viszozitás / sűrűség

(mértékegység: m2 / s 1 Stokes= 104 m2 / s )

ν = µ /ρ

azt fejezi ki, milyen „hatékonysággal” mozoghat egy adott térfogatnyi vízrész a körülvevő víztérhez képest

egy élőlény úszása során a vízben való haladáshoz kisebb energiára van szüksége meleg vízben (4˚C fölött csökkenő sűrűség, csökkenő dinamikus viszkozitás), mint hidegebb vízben

Jelentőség: úszás, lebegés során

A víz fizikai tulajdonságai

viszkozitás: a hőmérséklet növekedésével csökken; duplájára nő amikor a vízhőmérséklet 25 º C-ról 0º C-ra csökken;

víz: levegőhöz képest magas viszkozitás, az élőlényeknek nagyobbközegellenállást kell leküzdeniük, mint levegő közegben (pl. 10 ºC-on közel 100-szoros a különbség)

kisméretű élőlények: ha egy mozgó ostoros egysejtű az ostormozgástabbahagyja, ezredmásodperc alatt megáll, míg egy úszó ember az utolsókarcsapás után még siklik a vízben

Reynolds-féle szám:

a vízáramlás egy csőben lamináris vagy turbulens

Re= (pDv)/µ p: sűrűség, D cső átmérője (az a vízoszlop, amiben pl. az élőlény

süllyed) , v: sebesség, µ: viszkozitás

kisméretű élőlények: alacsony Re, mozgás kivitelezése nehéz

pl. kandicsrákok táplálékszerzése

A víz fizikai tulajdonságai

Re < 1000 a vízáramlás lamináris

Re > 1000 a vízáramlás turbulens

a planktonikus élőlények kis Reynolds szám mellett élnek, más a mozgás, a táplálékszerzés, menekülés

algák: legtöbb mozdulatlan, passzívan lebeg, sűrűség: 1,01-1,03-szorosa a vízének, süllyednek

előnye: passzívan jutnak tápanyagban gazdag környezetbe

hátránya: kikerülnek az eufotikus zónából, ezt azonban a természetes vizekbenjellemző turbulens áramlások gyakran megakadályozzák

valószínűleg adaptív a süllyedés, mert nagyobb fitness-t biztosít, ha lassúsüllyedés közben tápanyaghoz jut és szaporodik, mint amennyit veszít azzal, hogy kikerül a fotikus zónából

vízörvényt keltenek,táplálékot magukhoz sodorják Pl. gallérosostorosok

A víz fizikai tulajdonságai

süllyedés: gömbölyű test süllyedése a sugár négyzetének függvénye (Stokes-törvény): v = 2gr2 (p1-p2)

9 µ

a mikroszkopikus szervezetek süllyedése igen lassú, óránként néhány mmsebességét az élőlény formája is befolyásolja (hosszú nyúlványok)

v: sebesség, g: gravitációs gyorsulás, r: a gömb sugara, p1, p2: a süllyedő test és a közeg sűrűsége, µ: viszkozitás

Passzívan lebegő szervezetek

gázvacuolákkal lebegőházas amőba (Arcella)

Pediastrum

hosszú nyúlványokkal (tengelylábak) lebegő napállatka (Actinophrys)

egy járommoszat (Closterium)

A víz fizikai tulajdonságai

felületi feszültség: a hidrogénkötések rendszere a felszín menténgyengébb mert felfelé nem alakulhatnak ki kötések, ezáltal a vízmolekulákbefelé adhéziót mutatnak;

a hőmérséklet, sótartalom, szervesanyag tartalom növekedésével csökken;

utóbbi kettőért gyakran az algák felelősek

Víz-levegő határfelület

Neuszton és pleuszton kialakulása

vízi ugróvillások

besugárzás:napenergia kémiai energiává alakítása, a hőként abszorbeált napsugárzás hat a hőmérsékleti viszonyokra, hőrétegződésre és a hőcirkulációra

elektromágneses spektrum:a fény kvantumokban - fotonok - érkezik, jellemzői: hullámhossz és amplitúdó

spektrum: rövid hullámhosszú, gamma sugarak (100 nm), - alacsony energiájú rádióhullámok (> 3000 nm); a látható fény tartománya: 400nm (ibolya) - 750nm (vörös)

a fotoszintézishez szükséges spektrum: 400-750nm, a klorofill-a elnyelése: két csúcs: 445nm és 660nm

A fény

A fény

A fény sorsa:

visszaverődés (5-6% veszteség)

szóródás (vízmolekulák és oldott anyagok hatása) az abszorbeált fény25%-a is szóródhat

abszorbció: a beeső fény legnagyobb része, a víz hőmérsékletét növeli

a fényelnyelés mértéke a mélységgel exponenciálisan változik(Lambert-Beer törvény):

Iz = Ioe-nz, ln Io - ln Iz = nz

n: extinkciós koefficiensIz: besugárzás z mélységbenIo: besugárzás a felszínen

átlátszóság:az a mélység, ameddig a látható fény elér:mérési lehetőségek:

vízalatti fotométerrelspektroradiométerrelSecchi koronggal (Zsd): 20 cm átmérőjű fémkorong, négy negyedre osztva, átellenben két mező fekete, kettő fehér

Secchi-mélység (átlátszóság): az az átlagos távolság, ahol a ~ eltűnik amikora csónak árnyékos oldaláról figyelik ill. ahol ismét feltűnik, általában a felszínifféényny 10%10%--áánaknak felel megjjéégmentesgmentes ididőőszakbanszakban erősen függ az n extinkciós koefficienstől (Lambert-Beer ttöörvrvéényny):):

n (m-1) = 1,7/zsd, tavakban n (m-1) = 1,45/zsd, óceánokban

Secchi-korong

A fény

A fény

Az átlátszóság függ

a víz abszorbciós tulajdonságaitól,

az oldott szervesanyagtól (dissolved organic matter, DOM)

partikuláris szervesanyagtól (particulate organic matter, POM);

erősen turbid vízben néhány cm, nagyon tiszta vízben >40m

szezonális alakulása függ a fitoplankton abundanciától

és a szervetlen anyagok részecske mennyiségétől

A fény

A fény zonációja a tavakban:

a fotoszintézisben játszott alapvető szerepe miatt vertikális és horizontális eloszlását érdemes áttekinteni

fotikus v. eufotikus övezet: a felszíntől addig a mélységig, ahol a fénymennyiség az eredeti beeső fénynek az 1%-ára csökken; ez a nappali nettó O2 termelés zónája (fotoszintézis), éjszaka O2 csökkenés a lebontófolyamatokkal járó légzés következtében

afotikus zóna: a fotikus övezet alsó határától az alzatig húzódik; a fény túl kevés a fotoszintézishez; a légzés dominál a produkcióhoz képest, O2 felhasználás történik

A fé

nyin

tenz

itás

és a

foto

szin

tézi

s rá

ta a

laku

lása

a v

ízm

élys

égge

l

A fény

a fotikus zóna alsó határa napi és szezonális ingadozást mutat, és összefügg a fényintenzitással és a víz átlátszóságával

kompenzációs mélység: ahol a beeső fény 1%-ra csökken, fotoszintézis = légzés

oligotróf, ill. nem produktív tavak: a fotikus zóna 20-25m mély,

eutróf tavak: <1m; a beeső fény 10%-ra való csökkenése már limitálja a fotoszintézist, tehát az effektív határa a fotikus zónának még feljebb van

a fény már akkor limitáló lehet a fitoplankton számára, ha a felszíni besugárzás 10%-ánál kevesebb ér adott vízrétegbe (tehát akár a kompenzációs mélység fölött)

A víz színeSzín oka: 1. kék égbolt visszaverődő fénye, 2. zömében: szelektív fény

abszorbció

• minél vastagabb a víz réteg, annál mélyebb kék

• nagyobb mélységbe is a kék fény juthat le

• mély vízből csak a kék fény juthat szóródással a felszín felé

• legnagyobb szóródást a kék fény mutatja

A vízben lebegő ásványi és szerves szemcsék egyrészt felületükkel szórják a fényt, másrészt saját színük is lehet, e két tényezőegyüttese eredményezi a víz változatos színét.

forrás: internet, KFKI

Tisz

a

Maros

Tisz

a

Bodrog

Lagoa Verde („Zöld tó”) Lagoa Azul („Kék tó”)

Sete Cidades, Sao Miguel sziget (Azori-szigetek): vulkáni kráter közepén két tó

víz összes sótartalom:

Koncentráció (mg/l)

Elektromos vezetőképesség (EC, µS•cm-1 ):

adott hőmérsékleten mért elektromos ellenállás reciproka

a víz ionos összetevőinek (ionok és szerves savak) mennyiségét fejezi ki

természetes vizekben a főbb

kationok: Ca2+, Mg2+, Na+, K+ (csökkenő sorrend)

anionok: HCO3-, SO4

-2, Cl- (csökkenő sorrend)

Szalinitás: Σ össz-iontartalom (g/l), %o

Kicsapódás: ha egy só ionjai az oldhatósági szorzatot meghaladó koncentrációban vannak jelenKicsapódási sorrend kálciumban gazdag vízből: CaCO3, CaMg(CO3)2), CaSO4 x 2H2O …

kiszáradó szikes tó

A víz kémiai tulajdonságai

Szikes tavak:

NaHCO3

Sziksós tavak: Na2CO3

uralkodó

Fertő-tóKözép-Európa legnagyobb

szikes tava

Szelidi-tó 1460-4100

Szegedi Fehér-tó 2000-4000

Velencei-tó 800-1800Tihanyi Belső-tó 1000

Tatai Öreg-tó 540-700

Balaton 500

Hámori-tó 350

Duna 250-400

Tisza 350

Hazai vizek össz-sótartalma (mg/l)

össz-sótartalom (mg/l)

édesvizek 50-500

kontinentális sós tavak < 20000

Tengervíz 35000

alpesi tavak 100-200

skandináv tavak 50

Ionösszetétel (főbb komponensek):

Na+: Mg2+: Ca 2+ : K+ = 51:39:7:3

HCO3-: SO4

2-: Cl- = 24:10:18. Felföldy: A vizek környezettana

A víz kémiai tulajdonságai

A 8 legfontosabb ion (K+, Na+, Ca2+ , Mg 2+, SO42-, Cl- , HCO3

-, CO2-) mennyiségének grafikus ábrázolása százalékos egyenérték alapján

Maucha-féle csillagdiagram: két víztest ionösszetételbeli különbségének szemléletes, gyors összehasonlítására

a körcikk széle az ionok elméleti egyenlő koncentrációját jelzi

anionok kationok

A víz kémiai tulajdonságai

A víz kémiai tulajdonságai

A hőmérséklet

hő:

hőrétegzettség

vizekben a hő intenzitásának, nem pedig mennyiségének a mértéke,

kémiai és biológiai folyamatok szabályozója

a hő lehetséges forrásai:

napsugárzás

hővezetés a légkörből ill. az alzatból

vízfelszínre történő páralecsapódás

felszíni és felszínalatti befolyókból

hőveszteség:sugárzás a környezetbepárolgáselfolyó vizek

A tó és környezete közti hőkicserélődés legnagyobb része a tó felszínén történik (nappal a napsugárzás melegíti, éjjel sugárzással ad le hőt, + párolgás egész nap).

A tóba érkező napsugárzás legnagyobb része a felszín közelében hőként elnyelődik (elsősorban a spektrum hosszú hullámhossz-tartománya).

Mivel a molekulák közti diffúzió mértéke elhanyagolható, ez nem lenne elég ahhoz, hogy a mélyebb vízrétegek átmelegedjenek, így egy exponenciális csökkenésre számíthatnánk, a fényhez hasonlóan.

Miért nincs így? Ok: a víz sűrűség-anomáliája és a szél hatása.

Sűrűség-anomália: a víz legnagyobb sűrűsége eltér a fagyás/olvadásponttól.

A víz legnagyobb sűrűsége 4 fokon van, ekkor akár hűl, akár melegszik, a sűrűsége eleinte mindenképpen csökken.

A kisebb sűrűségű víz a sűrűbb rétegek felszínére kell, hogy kerüljön.

4 fok fölött a hőmérséklet növekedésével a víz sűrűsége nem lineárisan csökken!

Ha a víz 0-ról 4 fokosra melegszik, a sűrűségkülönbség 0,13g/l, 4 és 20 fok között 1,77 g/l

A sűrűségkülönbség a növekvő hőmérséklettel egyre nagyobb lesz: 24-25 fok között 30-szor akkora, mint 4-5 fok között.

1,000

sűrű

ség (

g/cm3 )

-5 0 5 10 15 20 25

4°C

T (°C)

Sűrűség g/cm3 Fajlagos térfogat kg/l

Jég 0 °C-on 0,91860

0,99987

1,00000

0,99999

0,99973

0,99913

0,99823

0,99707

0,99568

0,99568

1,08865

Víz 0 °C-on 1,00013

Víz 4 °C-on 1,00000

Víz 5 °C-on 1,00001

Víz 10°C-on 1,00027

Víz 15°C-on 1,00087

Víz 20°C-on 1,00138

Víz 25°C-on 1,00177

Víz 30°C-on 1,00293

Víz 35°C-on 1,00434

Éjjeli hőleadás során a felszínközeli vízréteg sűrűsége nő, ezért lesüllyed addig a mélységig, ahol kiegyenlítődik.

A mérsékelt övben tavasszal és ősszel 4 fokosra hűl a tavak felszíne, amelynek hatására az alzat közelében mindig 4 fok körüli a hőmérséklet.

Trópusokon soha nem hűl le a felszín 4 fokosra, ezért az alzat közelében sem lesz négy fokos a víz.

A szél örvényeket, áramlásokat kelt a víz felszínén, amely a felszíni ill. a parti sekély vízrétegek átkeveredését eredményezi. Ha a felmelegedett kisebb sűrűségű víz a felszínen úszik, azt a szél nem keverheti át egykönnyen a mélyebben fekvő, hidegebb vízrétegekkel.

Minél melegebb a felszíni víz, annál nehezebben keveredik az alsóvízréteggel. Az átmelegedés addig a mélységig következik be, ahol a szél energiája megegyezik a felmelegedett vízrétegre ható felhajtóerővel.

A meleg vízréteg egyre kevésbé tud keveredni az alatta levővel, rétege egyre stabilabb lesz az egy Celsius fokra jutó sűrűségkülönbség növekedése miatt.

Egy éles hőmérsékleti határ rajzolódik ki a felszíni meleg és az alatta húzódósűrűbb, hideg rétegek között.

Így alakul ki az ún. rétegzett tavakra jellemző hőprofil.

Hőrétegzettség kialakulása:tavaszi cirkulációnyári rétegzettség, pangásőszi cirkulációtéli stagnálás

epilimnionepilimnionmetalimnionmetalimnion

hypolimnionhypolimnion

°C

mélység

Mérsékeltövi tavak hőrétegződése:

a víztestben nyáron 3 fő réteg alakul ki:

epilimnion – fedőréteg, meleg felső vízréteg, nagyjából azonos hőmérsékletű, alsóhatára addig terjed, amely hőmérsékletre lehűl a vízfelszín éjszaka során. Szélmentes időben különbség alakulhat ki a parti régió és a nyílt víz hőmérséklete között, amelynek kiegyenlítődése nagy jelentőségű a (planktonikus) vízi élőlények eloszlásmintázatának alakításában.

metalimnion – váltó réteg, gyors hőmérsékletváltozással jellemezhető réteg, pl. termoklin (gyakran szinonimaként használják)

hypolimnion – alsó réteg, alzat feletti, hideg vízréteg, 4°C

magasabb hőmérsékletű vizekben az 1 fokra jutó sűrűségváltozás nagyobb, mint hidegebb vizekben, ezért nagyobb energiabefektetéssel lehet összekeverni, mint alacsonyabb hőmérsékletűeket (24-25 °C-os víz összekeverése: 30x annyi energia, mint 4-5 °C-os víznél)

Tavasz: Amint a felszíni víz hőmérséklete 4 fok körüli lesz, a sűrűségkülönbség szinte eltűnik a vízmélység teljes vertikuma mentén.

Ekkor az erős szél energiája elegendő a teljes vízoszlop átkeveréséhez. A tó először teljesen homotermikus, azonos hőmérsékletű lesz.

A további napsugárzás tovább melegíti a felszíni réteget és kialakul a rétegzettség. Ez eleinte nagyon gyenge, egy kisebb szél is megszűnteti. Idővel kialakul a stabil rétegzettség, amely a nyár folyamán egyre stabilabb lesz.

Nyár:A termoklin egyre mélyebben húzódik.

Ősz:Ősszel ez utóbbi folytatódik: a vízfelszín lehűl, a megnövekedett sűrűségű víz lefelé áramlik egészen a sűrűség kiegyenlítődéséig.

Míg a szél keltette áramlások és örvények csak a felszínközeli részét érintik a vízoszlopnak, a sűrűség kiegyenlítésére induló ún. konvekciós áramlás mélyebbre lehatol (a sűrűségnek megfelelően).

Ennek következtében a hőváltóréteg a legnagyobb mélységben nem nyáron, a legmagasabb vízhőmérsékletnél van, hanem ősszel!

Késő őszre az epilimnion lehűl, a vizet a szél ismét teljesen átkeveri, ismét homotermikus lesz.Tél:Ha a tó befagy, inverz hőmérsékleti grádiens alakul ki, rétegződés nincs, szél hiányában. Elnevezés: téli stagnálás.

Trópusokon napi váltakozás van a rétegzett és a felkevert állapotok között:

Nappal rétegzett a tó, éjjel lehűl a felszíne és a szél átkeveri.

A hőháztartás alakulását befolyásolja az éghajlat, a tó mérete, kitettsége a szélnek, a befolyók.

A tavak a keveredési / cirkulációs mintázatuk alapján osztályozhatók.

Tél Nyár

Tótípusok a keveredések száma, a hőrétegzettség mértéke alapján:

holomiktikus tavak:

az éves ciklus során felszíntől a fenékig átkeveredik

keveredés gyakorisága alapján:

1. dimiktikus: évi két keveredés, egy őszi és egy tavaszi, télen a jégtakarógátolja a keveredést

epilimnionepilimnion

metalimnionmetalimnion

hypolimnionhypolimnion

Balaton (T.I.)

2. monomiktikus (egy hosszú keveredési időszak tél folyamán, soha nem teljes a jégtakaró, hideg ˝ tavak: arktikus területeken v. hegyvidéken, 4 foknál nem melegebbek, meleg ˝ tavak: 4 foknál nem hidegebbek a cirkuláció során, pl. Bodeni-tó vagy: trópusi magashegységek )

3. polimiktikus (sekély tavak, egész évben néhány naponta, v. naponta többször, vagy: trópusokon: meleg sekély tavak, soha nem hűlnek le 4 fokra )

4. amiktikus (egész évben jégtakaró, soha nem keveredik, pl. Antarktiszon biz. tavak)

5. oligomiktikus (arktikus területeken néhány évente felolvadó tavak)

Oligomiktikus tó: Toolik Lake, Alaszka a 2001. júniusi napéjegyenlőség idején

meromiktikus tavak:

mély vagy kémiai rétegződést mutató tavak, csak részlegesen keverednek, nincs elegendő energia a rétegződés megbontására és felszíntől a fenékig átkeverni a vizet

− ok: jelentős sókoncentráció a fenék közelében, kémiailag meromiktikus tavak, meleg alzatközeli vízréteg (monimolimnion), ahol az oldott sók miatt marad a hidegebb rétegek alatt a melegebb víz

− a felső, keveredő réteg a myxolimnion, erős viharok felkeverhetik, drámai hatással járhat, mert az alzat közelében pl. az anaerob anyagcsere termékeként felhalmozódott H2S a felszínre kerül, az O2 elfogy és halpusztulást stb. okoz, a felszabaduló tápanyagok algavirágzástkelthetnek, sokáig tart, amíg az egyensúly helyreáll

epilimnionepilimnion

metalimnionmetalimnion

hypolimnionhypolimnion

monimolimnionmonimolimnion

myxolimnionmyxolimnionkemoklin

hőcsapda!

hőcsere: csak hővezetéssel

A monimolimnion a benne oldott sók miatt sűrűbb, mint a lehülés következtében lefelé áramló víz, amely ezért fölötte helyezkedik el.

A sókoncentráció 10 mg/l-es emelkedése* olyan sűrűségnövekedést okoz, mint a víz 5-ről 4- fokra történő lehűlése, a nap a monimolimniont felmelegíti, de keveredés nem történhet (*: a sókoncentráció lineárisan változik a hőmérséklettel!).

Krenogén meromixis: vízfenéken fakadó forrás

Ektogén meromixis: tengerparti tó vizébe alkalmanként tengervíz keveredik

Biogén meromixis: lebontó folyamatok során a fenéküledékből gázok kerülnek a víztérbe

Mély tavaknál kis felület/mélység arány mellett jön létre, amennyiben nincs kellő erősségű szél vagy nem hűl le kellő mértékben a víz.

Így nem történik teljes átkeveredés.

Ha ez éveken át rendszeresen elmarad, állandósul a monimolimnion, mert felgyülemlenek a gázok a fenéküledékben.

Ilyenek az Egyenlítőhöz közeli igen mély tavak, pl. Tanganyika- és Malawi-tó.

Meromiktikus tóból meleg monomiktikussá alakult a Holt-tenger

Termoklin szezonális alakulása egy mérsékeltövi tóban

A hőmérséklet

Áramlások, vízmozgások

Turbulencia: változó áramlási sebesség bármely ponton és irányban

*

Denivelláció: a víz a szél felőli oldalon apad, a másik oldalon feltorlódik és az epilimnion alján visszaáramlik; a hipolimnionban ellentétes irányúáramlás keletkezik

Sűrűségkülönbség által keltett áramlás: konvekciós áramlás,napi hőingásés /vagy eltérő kémiai összetételű víz befolyása hatására jelentősége: planktonszervezetek eloszlási mintázatát befolyásolhatja

Seiche („tólengés”): nagy tavaknál eltérő légnyomásviszonyok hatására létrejövő denivelláció, a gravitáció hatására áll vissza az eredeti állapot

*

Felszíni hullámzás: sekély tavakban a felkavarhatja az üledéket, erősen befolyásolhatja mind a planktont, mind a bentoszt

szél

széliránnyal párhuzamosan lefutó hab vonalak mutatják

Langmuir cirkuláció

A. Thurnherr photo

Padisák: Általános Limnológia

Meder mélyülése:

Meder meredekség jelentősége:

• Befolyásolja a litorális övezet kiterjedését, mélyülését

• Üledék stabilitását, szerkezetét

• Üledék felhalmozódás történhet-e

• Hullámok, áramlások hatása milyen szögben hatnak a tó mederre

• Gyökerező hínár megtelepedésének esélye

• Üledéklakó gerinctelenek mennyisége

• Vízimadarak megtelepedése

• Halak számára ívóhely, ivadékoknak búvóhely

Tavak keletkezése

Tektonikus (földkéreg elmozdulása)

Vulkanikus (krátertavak, v. beomlott v. kúp helyén kaldera tavak)

Hegyomlások, csuszamlások által elrekesztett területen

Glaciális (mozgó jégárak a görgetett moréna segítségével)

Oldásos tavak (kőzet lassan feloldódik)

Fluviális tavak (folyók közreműködésével)

Aeolikus tavak (szél, száraz területen)

Élőlények közreműködésével (hódok, növényzet, koralltelepek)

Mesterséges medrek

Tektonikus eredetűtavak

Tektonikus eredetűtavak

Tanganyika-tó (NASA)

Tektonikus eredetűtavak

Európában a legnagyobb: Ohridi-tó

Vulkanikus eredetűtavak (krátertavak, v. beomlott v. kúp helyén kaldera tavak)

Maar-ok keletkezése

Kis felület, nagy mélység, tápanyagszegény, tiszta víz.

Pulvermaar, Eifel-hegység Németország

Alacsonyak, kitöréskor kiszórt kőzettörmelék gyűrűalakban felhalmozódik.

Vulkanikus eredetűtavak (krátertavak, v. beomlott v. kúp helyén kaldera tavak)

Szent Anna-tó, Erdély

Hegyomlások, csuszamlások által elrekesztett területen keletkezett tó

Gyilkos-tó, Erdély

Zermatt-gleccsertó (T.I.)

Glaciális eredetű tavak (mozgó jégárak a görgetett moréna segítségével)

Wahlenberg-tavak (T.I.)

Glaciális eredetű tavak (mozgó jégárak a görgetett moréna segítségével)

Oldásos tavak (kőzet lassan feloldódik)

Természetes karszt szalinák

pl. Erdélyben, felszíni sós kőzet oldódásával

Antropogén szalinák

felhagyott majd elárasztott sóbányák

Băile Sărate de la Turda

Lacul Tarzan de la Băile Sărate Turda

Torda környéki sós tavak (Erdély)

Oldásos tavak (kőzet lassan feloldódik)

Mezőség, Apahida

Kolozsvár környéke, Dörgő

Medve-tó, Szováta, heliotermikus

Oldásos tavak (kőzet lassan feloldódik)

Sós forrás, tó és kicsapódott sóvirágok (Erdély, „Sóvidék”)

SSóókristkristáályoklyok

“Sóvidéknek nevezik, pedig a Korond vize és a Kis-Küküllő völgyét is le Szovátáig, azon több négyszög mérföldnyi sófekvetről, mely itt nemcsak a föld keblén rejtőzködik, hanem a föld felületére kitörve egész sóbérczeket alkot.”

Orbán Balázs

Fluviális tavak (folyók közreműködésével)

(Kína)

http://www.kepu.net.cn/english/lake/origin/319b.html

Aeolikus tavak (szél, száraz területen)

Kína

Vízben oldott gázok

Oxigén

O2 koncentráció

mél

ység

Alpesi tavak példáján:

ortográd, (negatív) heterográd, klinográd görbe

Königssee (T.I.)

oligotróf mély eutróf eutróf,

szélvédett, sekélyebb

(O2, CO2, H2S, CH4)

Széndioxid

Kémiailag oldódik

Fotoszintézis

Respiráció

Pufferkapacitás,

pH

Karbonát – bikarbonát – széndioxid egyensúly:

>1% szénsav keletkezik

2 lépésben disszociál:

pH csökkenés

pH függő folyamat: pH 8 –nál döntően bikarbonát ionok vannak jelen, ha nő, még inkább

Nagyon alacsony pH: szabad CO2 és szénsav

A legtöbb vízinövény CO2-t vagy bikarbonátot tud felvenni

Természetes körülmények között a szénsav alkáli földfémekkel és alkáli fémekkel oldhatatlan sókat képez, kicsapódik,

Megbontja az egyensúlyt,

Újabb CO2 oldódik be a vízbe

Kalcium bikarbonát kalcium-karbonát szénsavjól oldódik! rosszul oldódik!

A széndioxid-formák relatív aránya a pH függvényében

Biogén dekalcifikáció: magas fotoszintetikus aktivitás mellett a széndioxid elfogy, a karbonát kicsapódik a növényzeten, alzaton stb.

Mésztufagátak; Plitvicei tavak

Respiráció:

A keletkező karbonát bikarbonáttá alakul, amíg a fölös széndioxid el nem fogy.

A biogén úton nagy mennyiségben keletkező CO2 olyan mértékű pH csökkenést idézhet elő vezetékrendszerekben, hogy korróziót okoz.

A

rendszer felelős leginkább a tavak pufferkapacitásáért.

(H+ vagy OH- fogadása pH változás nélkül)

Alkalinitás: savakra vonatkoztatva a pufferkapacitás mértéke

Extra H+ esetén karbonátból HCO3 lesz, pH nem változik

Extra OH- esetén minél több kálcium van a vízben, annál több lesz a kötött szénsav, és annál több H+ és OH- adható változás nélkül.

Kálciumban gazdag tavak: pH 7-8

Kalciumban szegény tavak: alacsony a pufferkapacitás, enyhén savasak

Intenzív fotoszintézis során a pH akár 9-re is növekedhet, miközben elfogy a CO2,

Ha a növények a bikarbonátot is fel tudják venni, akkor a pH 11 is lehet!

Drasztikus napi ingadozások

Kanadai és skandináv tavak: kristályos alapkőzeten (kevés mész)

Alacsony pufferkapacitás

A savas esőkből származó kén- és salétromsav gyorsan csökkenti a pH-t, környezeti károk!

Lápok: huminsavak miatt 4,5 körüli pH, kalciumszegények, a szén limitálhat!

Alkalikus tavak:

Kenya: Nakuru

Alföldi szikes tavaink

Kiszáradt szikes tó a Kiskunságban, „sóvihar”, Dr. Forró László felvétele

Na2CO3van CaCO3 helyett, jól oldódik, pH 9 is lehet

Általában száraz, meleg területeken,

Többnyire lefolyástalanok

Tókitörés

Afrika, Kamerun, Nyos-tó, 19861986vulkáni tó, mélyén: hatalmas mennyiségű hidrokarbonát,

széndioxid kitörés („limnic eruption”)

éjszaka 80 millió m3 CO2 folyt le a hegy oldalán

1700 emberi áldozat

felső 50 m: befolyók táplálta vízréteg, nyomása csökkent

alsó 200 m: CO2-dús, elsősorban biogén eredetű, de folyamatos utánpótlás a vulkáni utóműködés következtében is, a felső nyomás csökkenése miatt telítődött a CO2 koncentráció és kitört

pH és alkalinitás

A biológiai aktivitásbeli különbségek miatt vertikális pH gradiens alakul ki

Időbeli változások

A legfontosabb pH-t befolyásoló tényezők:

- Fotoszintézis

- Légzés

- Nitrogén asszimiláció

hatása a pH-ra a karbonát-bikarbonát-széndioxid egyensúlytól függ:

6CO2+6H2O⇔C6H12O6+6O2

6HCO3-+6H+ ⇔C6H12O6+6O2

tehát, ha a pH <6,3 akkor kicsi a hatásuk, mivel ekkor a CO2uralkodik, a bikarbonát elenyésző

H+ konc. változása: a víz alkalinitására, savanyúság-semlegesítő kapacitására hat

A víz pufferkapacitása szabja meg, milyen mértékben hat a pH változás

Rétegzett tóban vertikális grádiens: az epilimnionban rendszerint magasabb

Kálciumban dús vizekben a fotoszintézis velejárójaként CaCO3 csapódik ki, szürkés, fehéres bevonat jelenik meg a leveleken

Ha az alapkőzet karbonátokban gazdag, a kőzet mállása révén a víz savakkal szembeni pufferkapacitása megnő, ilyenek a magas alkalinitású vizek

Ha az alkalinitás 0, a pH már kevés sav hozzáadására is jelentősen csökken

Alkalinitás kifejezése: milliekvivalens / l (meq l-1)

0,5 meq l-1 fölött: jó pufferkapacitás (kicsi a kockázata, hogy savasodik)

0,01meq l-1 alatt: nagyon sérülékeny, könnyen savasodhat

Az alkalinitás csökken, ha

baktériumok: szervetlen kén- vagy nitrogéntartalmú anyagok oxidációja, ekkor H+, SO4

2+, NO3- keletkezik

Az alkalinitás nő, ha

növények: NO3- felvétel, baktériumok: szulfát, nitrát redukció

A fentieknek drasztikus hatása lehet, ha az üledék fölött a víz kiszárad, és az átszellőzik: redukált kéntartalmú ásványok oxidálódnak, protonfelesleg lesz, újabb vízborításnál a pH csökken, élőlények nagy része elpusztulhat

pH csökkenése: befolyásolja sok állat szaporodását:

pl. Decapoda, Cladocera, Mollusca, Insecta, sok hal

Fitoplankton: dominanciastruktúra eltolódást mutat a nagyméretűostoros algák javára (pl. Peridinium, Gonyostomum)

Zooplankton: nagyméretű Copepoda fajok dominanciája (pl. Eudiaptomus) a Daphnia fajok helyett

Redox potenciál (Eh):Redox reakciók, elektron transzfere- donor: redukáló ágens, e- akceptor, oxidáló ágensA reakció iránya és sebessége a felszabaduló energiától függFotoszintézis során a CO2 a végső oxidáló ágens,a víz a végső redukáló ágens Közben a szén oxidációs száma 4-ről 0-ra csökken: szervesanyag, oxigén a végső e- akceptorMás, az élővilág számára fontos elem, amely változtatja az oxidációs számát:N, S, FeP: nem változik!Egy oldatban a szabad elektronokat egy elektród befogja és a rajta kialakulópotenciál megfelel az oldat oxidáló v. redukáló képességének.Gyakran pH 7-re standardizálják; mérés: standard hidrogén elektróddalpH emelkedés 1-gyel: Eh 0,058V-tal csökkenOxigén szerepe a redox potenciálnál:az oxigénkoncentráció alakulása önnmagában nem hatna Eh-ra!Fotoszintézis során: H2O ⇔1/2O2+2H+-2e-25°C-on pH=7 mellett az oxigénben telített vízben Eh=0,8VEh=0,8V elméleti, gyak.: az O2-ben gazdag epilimnionban 0,4-0,6V között,