panta rhei kÕik - keskkonnaagentuur 4 - protsessid ja tegurid.pdfvee molekul moodustab...

1

PANTA RHEI KÕIK

VOOLAB

HERAKLEITOS

ca. 535-475 BC

PROTSESSID JA TEGURID

VEEÖKOSÜSTEEMIS

SÜSTEEMID

PROTSESSID

ISELOOMULIKUD MÕÕTMED

2

EESTIMAA LOODUSE FOND

http://www.elfond.ee/teemad/meri/merekaitse/kui_kaua

Klaastaara 1000000 aastat

Tamiil 600 aastat

Plastpudelid 450 aastat

Pampersid 450 aastat

Alumiinium 200 aastat

Kummikud 80 aastat

Plastnõud 50 aastat

Konservikarbid 50 aastat

Sukad, sokid 40 aastat

Filmitopsid 30 aastat

Kilekotid 20 aastat

Sigareti filter 1-5 aastat

Villased sokid 1-5 aastat

Vineer 1-3 aastat

Piimapakk 3 kuud

Õunasüdamik 2 kuud

Ajaleht 6 nädalat

Apelsinikoored 2-5 nädalat

Salvrätikud 2-4 nädalat

PROTSESSID JA TEGURID KAUA LAGUNEB?

3

VEE OMADUSED

VEE MOLEKUL JA KEEMILINE SIDE

Mittesüsteemne pikkusühik

Ongström võrdub 1/10 nanomeetrit

1Å = 10-10m

Ongström - rootsi füüsiku

ja astronoomi Anders

Jonas Ångströmi auks

antud nimi.

KEEMILINE SIDE on

keemilist ühendit kooshoidev jõud.

On erinevaid keemilise sideme

tüüpe (väljendavad aatomituumade

ja elektronide vahelisi jõude):

– ioonsidemed

– kovalentsed sidemed

– vesiniksidemed

4

VEE OMADUSED

IOONSIDE, KOVALENTNE SIDE

IOONSIDE – on ioonidevaheline keemiline side, mis tekib vastasmärgiliste

laengutega ioonide elektrilise tõmbumise tulemusena. Iooniline side esineb

aktiivsete metallide ja (aktiivsete) mittemetallide vahel .

KOVALENTNE SIDE ehk atomaarne side ehk homöopolaarne side

on ühiste elektronpaaride vahendusel aatomite vahele moodustuv keemiline

side.

Suurema elektronegatiivsusega elemendi aatom mõjutab elektronpaare

tugevamini ning need on nihutatud selle elemendi aatomi poole.

Kui molekulis tekivad poolused, nimetatakse sellist sidet polaarseks

kovalentseks sidemeks.

5

VEE OMADUSED

KEEMILINE SIDE - VESINIKSIDE

VESINIKSIDE on täiendav keemline

side, mille moodustab ühe molekuli

negatiivse osalaenguga elektronegatiivse

elemendi (F, O, N) aatom teise molekuli

positiivse osalaenguga vesinikuaatomiga.

6

VEE OMADUSED VEE KLASTRID (1)

7

VEE OMADUSED VEE KLASTRID

Vee suurim klaster

280-st molekulist

(H2O)280

Vee molekul moodustab vesiniksidemete kaudu klastreid

Klaster viiest

molekulist

(H2O)5

VESINIKSIDE on täiendav keemline

side, mille moodustab ühe molekuli

negatiivse osalaenguga elektronegatiivse

elemendi (F, O, N) aatom teise molekuli

positiivse osalaenguga vesinikuaatomiga.

8

VEE OMADUSED ANOMAALIAD

Vee mõned omadused erinevad märgatavalt teiste vedelikega võrreldes.

Vaid vesi võib olla tavatingimustes kolmes olekus: vedel, tahke,

gaasiline.

Vedelikest suurim pindpinevus.

Parim lahusti.

Võime tõusta puu kapillaarides, ületades kümnete atmosfääride tugevust

rõhku.

Vee anomaalsed omadused on olnud eelduseks elu tekkimisel.

9


Vee sulamis-

temperatuur

(273.2 0K) on

100 K0 kõrgem,

kui teistel

temaga

sarnastel

hüdriididel.

10


1. Sulamistemperatuur (273 0K, 0 0C) on 100 0K eeldatavast kõrgem;

2. Keemistemperatuur (373 0K, 100 0C) on 150 0K eeldatavast kõrgem;

3. Kriitiline punkt (647 0K , 374 0C ) on 250 0K eeldatavast kõrgem;

4. Tahkel kujul varieerub vesi laiemas ulatuses (kristalliline, amorfne), kui

teised ained;

5. Erinevalt enamikest teistest ainetest rõhu suurenemisel jää

soojusjuhtivus väheneb;

6. Kõrgel rõhul vee struktuur muutub;

7. Ülijahutatud veel on kaks faasi ning teine kriitiline punkt;

8. Vesi võib esineda vedelal kujul väga madalatel temperatuuridel ning

soojendamisel jäätuda;

9. …

11

VEE OMADUSED ANOMAALIAD – SÕLTUVUS TEMPERATUURIST

12

PROTSESSID

PROTSESS on süsteemis toimuvate looduslikult, sotsiaalselt või tehislikult

põhjustatud ajas muutuvate seisundite jada.

Seisundi muutusi iseloomustavad süsteemi omaduste ja tunnuste

muutused.

Protsessid võivad olla nähtavad-nähtamatud, tuntavad-tundmatud.

Mõningaid äratuntavaid (identifitseeritavaid) protsesse saab jälgida.

Mõningaid jälgitavaid protsesse saab mõjutada, mõningaid saab ka

juhtida.

Protsesse liigitatakse ja uuritakse mitmeti sh valdkondlikult:

keemilised, füüsikalised, bioloogilised, ajaloolised, sotsiaalsed, jne.

13

SÜSTEEMID

Seisund e.olek

Elemendid

Piirid

Sise- ja välismõjurid

MUDELID

Füüsikalised mudelid

Analoogmudelid

Matemaatilised mudelid (deterministlikud ja stohhastilised;

statsionaarsed ja dünaamilised; 0D, 1D, 2D, 3D mõõtmelised)

PROTSESSID

Füüsikalised, keemilised ja bioloogilised

Lineaarsed ja mittelineaarsed

VEEÖKOSÜSTEEM VALDKONNAD SÜSTEEMI SEISUNDI KIRJELDAMISEL

14

C,N,P

- määritletud piiridega

- koosneb elementidest (elementide omadused – andmed)

- süsteemis toimuvad sündmused (protsessid)

- mõjutatud välismõjurite poolt

- piiridel vahetusprotsessid

SÜSTEEMISISESED

PROTSESSID

VÄLIS-

MÕJUD

VAHETUS-

PROTSESSID

VEEÖKOSÜSTEEM PROTSESSID – SÜSTEEMI SEISUNDI MUUTJAD

15

• Füüsikalised

• Keemilised

• Bioloogilised

Veeökosüsteemi modelleerimises vaadeldavad protsessid:

Protsessid modelleerimises – kirjeldavad süsteemi olekumuutujate käitumist.

Protsesside matemaatilisel kirjeldamisel lähtutakse jäävuse sedustest.

Kasutatud Jüri Elkeni ja Jaak Jaaniste loengumaterjale

PROTSESSID JA TEGURID VEEÖKOSÜSTEEMI MODELLEERIMISES

16

PIDEVUSE TEOREEM

Vedeliku voolamisel muutuva ristlõikega torus

on voolamise kiirus v pöördvõrdeline toru

ristlõike pindalaga S.

Hüdrodünaamika põhivõrranditeks on

pidevuse teoreem ja Bernoulli võrrand.

.2211

2

1

2

1 constvSSvSvS

S

v

v

HÜDRODÜNAAMILISED PROTSESSID AINE JÄÄVUSE SEADUS

17

BERNOULLI VÕRRAND

.2

2

constv

ghp

0graddiv

vvdt

d

ülaltoodust saab tuletada hüdro-

dünaamika pidevuse võrrandi

Bernoulli võrrand: rõhk p sõltub nii

voolamiskiirusest v kui toruosa kõrgusest h.

Daniel Bernoulli

(1700-1782)

HÜDRODÜNAAMILISED PROTSESSID ENERGIA JÄÄVUSE SEADUS

18

DIFUSIOON on soojusliikumisest tingitud

isevooluline ioonide, molekulide või dispergeeritud

osakeste kontsentratsioonide ühtlustumine süsteemis.

Osakesed liiguvad kontsentreeritumast faasist

lahjemasse. Difusioon sõltub temperatuurist ja seda

kiirem on protsess, mida kõrgem on temperatuur.

Statsionaarset difusiooni kirjeldab Fick’i I seadus, mis

ütleb, et massivoog J läbi ühikulise pindalaga pinna

ajaühikus mingis suunas x on võrdeline

kontsentratsiooni gradiendiga δC/ δx selles suunas.

Võrdetegurit D nimetatakse difusioonikoefitsiendiks.

Miinusmärk võrrandis näitab, et difusiooniprotsess

kulgeb kontsentratsiooni kahanemise suunas.

dx

dCDJ

Adolph Fick

(1829-1901)

HÜDRODÜNAAMILISED PROTSESSID DIFUSIOON

19

Reynolds leidis, et laminaarne voolamine muutub turbulentseks, kui

U – iseloomulik voolukiirus (keskmine)

L – pikkusmõõde (hüdrauliline raadius)

n – viskoossus

50002500 critReUL

Ren

LAMINAARNE VOOLAMINE –

korrapärane, kihiline, väikesed kiirused

TURBULENTNE VOOLAMINE – ebakorrapärane, sisaldab keeriseid, toimub vee segunemine, esineb suurematel kiirustel

Osborne

Reynolds

(1842-1912)

HÜDRODÜNAAMILISED PROTSESSID LAMINAARNE JA TURBULENTNE VOOLAMINE

20

A. Aine kontsentratsiooni

jaotus alghetkel

B. Kontsentratsioonipilve

edasikandumine x-telje

suunas (konvektsioon)

C. Kontsentratsioonipilve

laialivalgumine difusiooni

toimel

D. Edasikandumine ja

laialivalgumine

konvektsiooni ja

difusiooni koosmójul

HÜDRODÜNAAMILISED PROTSESSID TURBULENTNE DIFUSIOON

21

HÜDRODÜNAAMILISED PROTSESSID TURBULENTSED PÖÖRISED

22

Advektiivsed

muutused

Horisontaalsest ja vertikaalsest

difusioonist tingitud muutused

Pz

C

y

C

x

CD

z

Cw

y

Cv

x

Cu

t

C

2

2

2

2

2

2

Aine (C ) horisontaalsetest (u,v) ja vertikaalsest (w) kiirusest, turbulentsest

difusioonist (D) ning protsessidest (P) põhjustatud ajalisi (t) ning ruumilisi

(x,y,z) muutusi kirjeldatakse turbulentse advektsiooni-difusiooni võrrandi abil:

HÜDRODÜNAAMILISED PROTSESSID TURBULENTsE DIFUSIOONI VÕRRAND

23

Vees hõljuvale aineosakesele mõjuvad gravitatsioonist põhjustatud raskusjõud,

Arhimedese üleslükkejõud ning viskoossusest ning inertsist põhjustatud

liikumisele vastassuunalised jõud.

gvF

VCsF

M

FT

2

2 FT – üleslüke, viskoossus, inerts

FM – raskusjõud

p , F – aineosakese ning vedeliku tihedused, kus p – F

d, v, s – aineosakese läbimõõt, maht ning projektsioonipind (keral pd2/4)

V – osakese settimiskiirus; g – raskuskiirendus

C – mittedimensionaalne veetakistus

Laminaarsetes tingimustes kehtib kerakujulisele osakesele Stokes’i valem:

2

18d

gV

- vee dünaamiline viskoossus

FÜÜSIKALISED PROTSESSID SETTIMINE

24

))(( 222 OOTk

dt

dOs

k(T) – temperatuurist sõltuv reaktsiooni kiirus, 1/t

O2s – lahustunud hapniku küllastuskontsentratsioon

1. k(20) = 3.93 U0.5/H1.5 O’Connors-Dobbins

2. k(20) = 5.32 U0.67/H1.85 Owens-Gibbs

3. k(20) = 5.026 U/H1.67 Churchill

U – voolukiirus, m/s

H – sügavus, m

Võrdle Fick’i seadusega:

massivoog läbi pinna on võrdeline

kontsentratsiooni gradiendiga

FÜÜSIKALISED PROTSESSID REAERATSIOON JÕGEDES

25

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30

Temperatuur, 0C

O2

s, m

g/l

O2 lahustuvus vees

RT

pV

M

mn

1 mooli suvalise gaasi ruumala normaaltingimustel on

22,4 dm3 Vm = 22,4 dm3/mol

n aine hulk moolides

m mass grammides

M molaarmass

V ruumala dm3

Avogadro

(1776-1856)

AVOGADRO ARV

osakeste arv 1 moolis aines

NA =6,02*1023 1/mol

1 ml O2/l = 2*16/22,4 mg O2/l

FÜÜSIKALISED PROTSESSID TEMPERATUURI JA RÕHU MÕJU O2 LAHUSTUVUSELE VEES

26

Norralaste uurimisandmetel on

Gröönimaa ranniku püsijääst suve

jooksul kadunud 35 000

ruutkilomeetrit.

See on rohkem kui 10% Soome

pindalast ehk rohkem kui 75% Eesti

pindalast.

Uurijate arvates murdub jääd veelgi,

sest lainetel on nüüd lõhkumiseks

rohkem jõudu.

(Eesti Päevaleht, 13.10.2008)

FÜÜSIKALISED PROTSESSID TEMPERATUURI MÕJU

27

KAVITATSIOON on nähtus, kus vedeliku voolamisel voolu pidevus katkeb ja

vedelikku tekivad tühikud ehk kavernid.

Tühikute teke on seotud vedeliku rõhu langemisega alla tema aurumisekriitilist

rõhku. Vedelik aurustub ja vedelikus tekivad vedeliku auru mullid. Samuti võib

madalal rõhul vedelikust eralduda temas lahustunud õhk. Õhu ja vedeliku auru

mullid kaovad, kui rõhk vedelikus uuesti suureneb.

Kavitatsiooni korral toimub mullide tekkimine ja kadumine suure sagedusega

(kuni 1000 korda sekundis) ja see põhjustab lööke ning vibratsiooni. Metalli

pinnaga kokku puutudes tekitab kavitatsioon metalli pinnakihis pulseerivaid

pingeid, mis põhjustavad metalli väsimist ja kulumist.

Kavitatsioon pumpades

Pumpades põhjustab kavitatsiooni vaakumi teke pumba imemistorus.

Kavitatsiooniohu vähendamiseks paigutatakse pump võimalikult paagis oleva

vedeliku tasapinna lähedale või vahetult vedeliku sisse.

FÜÜSIKALISED PROTSESSID KAVITATSIOON

28

HÜDRAULILINE LÖÖK -

vedeliku rõhu äkiline suurenemine

torustikus. See võib olla tingitud

voolava vedeliku inertsist ja seadme

liikuvate osade inertsist.

Järsk rõhu suurenemine võib

toimuda süsteemi kiirel täitumisel

veega kui ka torustikus olevast

õhust. Seetõttu tuleb

projekteerimisel ette näha õhu

väljalaskmise võimalus, süsteemi

veega täitmine peab toimuma

võimalikult aeglaselt.

Veepump, mis ei vaja juurdetoodavat energiat.

Pumba paneb tööle voolava vee järsul peatamisel

tekkiv hüdrauliline löök.

Tehnilised andmed:

toitevee voolu hulk 110 L/min

tootlikkus 9500 L ööpäevas

25 m kõrgusele

Rõuge vallas Jüri Johansoni poolt

2002. a. konstrueeritud ja ehitatud

vesioinas

FÜÜSIKALISED PROTSESSID HÜDRAULILINE LÖÖK

29

polaarne

vesiniksidemed

kristalliline

struktuur (jää)

VEE OMADUSED REAKTSIOONIDE TÜÜBID

• süntees • lagunemine • asendamine • neutraliseerimine • sadenemine • redoksreaktsioonid

HÜDROKEEMILISED PROTSESSID VEE OMADUSED

30

ELEKTROLÜÜTILINE DISSOTSIATSIOON –

protsess, kus elektrolüütide lahustumisel vees

jagunevad molekulid vastasnimeliselt laetud

osakesteks – ioonideks.

Elektrolüütilise dissotsiatsiooni ulatust iseloomustab

dissotsiatsiooniaste ehk ioonideks lagunenud

(ioniseerunud) molekulide (valemühikute) arvu

suhe lahuses olevate molekulide (valemühikute)

üldarvusse.

H2O + CO2 => H2CO3

H2CO3 => H+ + CO3-

H2CO3 => H+ + CO32-

(pH ~6.4)

(pH ~10.3) külla

sta

mata

lahus

üle

külla

sta

tud

lahus

külla

sta

tud lahus

HÜDROKEEMILISED PROTSESSID ELEKTROLÜÜTILINE DISSOTSIATSIOON

31

NaCl => Na+ + Cl-

Kokkupuutel ioonse kristallilise pinnaga

polaarne vee molekul neutraliseerib

osaliselt kristalli pinnakihi iooni.

• Kristalli pinnal ioonsed sidemed

nõrgenevad.

• Vee molekulid ümbritevad kristalli

pinnakihi ioone ning kannavad neid

kristalli pinnalt eemale.

• Tulemus: kristalli pinnalt eemale-

kandunud ioonid dissotsieeruvad

vees.

HÜDROKEEMILISED PROTSESSID AINETE LAHUSTUMINE VEES

32

HÜDROKEEMILISED PROTSESSID KEEMILINE TASAKAAL – LE CHATELIER’ PRINTSIIP

Van’t HOFFi SEADUS – kui tasakaalusoleva süsteemi temperatuur

muutub, siis nihkub tasakaal temperatuuri tõusul selle protsessi suunas, mis

kulgeb soojuse neeldumisega, temperatuuri alanemisegl aga vastassuunas.

Le CHATELIER’ PRINTSIIP - kui keemilise tasakaalu korral muutub

mingi osapoole kontsentratsioon, temperatuur, ruumala või (kogu)rõhk, siis

keemilise reaktsiooni tasakaal on vastassuunaline selle teguri muutusele.

Le Chatelier’ printsiip võimaldab ennustada keemilise tasakaalu nihkumist

keemilise reaktsiooni tingimuste muutudes. Printsiibi töötasid üksteisest

sõltumatult välja Henry Louis Le Chatelier ja Karl Ferdinand Braun.

Igasugune süsteemis toimuv status quo muutus kutsub

süsteemis esile vastureaktsiooni.

33

VESINIKEKSPONENET ehk pH on negatiivne logaritm lahuse vesinikioonide kontsentratsioonist (mol/l). pH = -log [H+], kus [H+] on lahuse vesinikioonide kontsentratsioon (mol/l). pH ehk vesinikeksponendi ja hüdroksiideksponedi ehk pOH vahelist seost iseloomustab valem: pH + pOH = 14 pH väärtused ulatuvad reeglina 0...14. Puhta vee pH = 7. Vihmavee pH on kergelt happeline, sest vesi reageerib õhus oleva süsnikdioksiidiga, moodustades süsihappe. Normaalne vihmavee pH on umbes 5,5.

pH mõjutab fosfori veest väljasadenemist – lubjaga sadestamisel tõstetakse pH

üle 10, raua- ja alumiiniumsooladega sadestamisel on optimaalne pH piires 5-6.

HÜDROKEEMILISED PROTSESSID pH MÕJU

http://et.wikipedia.org/wiki/Matemaatika

34

HÜDROKEEMILISED PROTSESSID HAPPED JA ALUSED

Allikas: Internet

1) Arrheniuse vesilahuste teooria (1887) Vesi H2O oluliseim võtmesõna

Svante Arrhenius (1859-1927) rootsi keemik, elektrolüütilise dissotsiatsiooni teoorija rajaja 1883-1887; 1889

2) Brønsted-Lowry prootonteooria (1923) Prooton H+ oluliseim võtmesõna

Johannes Brønsted (1879-1947) taani keemik

Thomas Lowry (1874-1936) inglise keemik 3) Lewise hapete ja aluste elektronteooria (1923) Elektronpaar, aktseptor, doonor keskseteks sõnadeks

Gilbert Newton Lewis (1875-1946) ameerika keemik . Aine ehitus, Lewise sümbolid – valentselektronid punktidena Na• - okteti reegel

35

HÜDROKEEMILISED PROTSESSID HAPPED JA ALUSED – VESILAHUSTE TEOORIA

Allikas: Internet

HAPE on aine, mis vesilahuses (aqua = aq) annab vesinikioone (H+ )

HClaq = H+aq + Claq,

Kui aine annab vette palju H+ ioone, on ta tugev hape (väävelhape), kui vähe,

siis nõrk (äädikhape). Ainete erinev dissotsiatsioonivõime vees.

CH3COOH = H+ + CH3COO Kdis = [H+][CH3COO]/[CH3COOH]

= 1,8.105

ALUS on aine, mis vesilahuses annab hüdroksüülioone (OH)

NaOHaq = Na+aq + OH

aq

Kui aga aine annab vette palju OH–ioone, on ta tugev alus, kui vähe,

siis nõrk [Ca(OH)2].

pH = - lg [H+]

pOH = - lg [OH]

36

HÜDROKEEMILISED PROTSESSID HAPPED JA ALUSED – PROOTONTEOORIA

Allikas: Internet

Aine, mis annab ära prootoni on hape, mis võtab juurde on alus.

NH3 + H2O = NH4+ + OH

Vesi on siin hape, ammoniaak on alus (PANH3 > PAH2O )

Vesi dissotsieerub: H2O = H+ + OH

Paljud ühendid, nagu negatiivsed ioonid, võivad liita prootoni kui positiivse osakese

CO32 + H+ = HCO3

PO43 + H+ = HPO4

2

HCO3 + H+ = H2CO3, kui pH <7 (happeline keskkond) – siis HCO3

on alus

HCO3 = H+ + CO3

2 kui pH > 7 (aluseline keskkond) – siis HCO3 on hape

NH4+ on hape, sest annab H+ ära NH4

+ = NH3 + H+

H3O+ (hüdrooniumioon) on ka hape, annab H+ ära H3O

+ = H+ + H2O.

H2O + HBr = H3O+ + Br (vesi on alus)

37

HÜDROKEEMILISED PROTSESSID HAPPED JA ALUSED – LEWISE HAPPED

Allikas: Internet

Lewis oli üks kovalentse keemilise sideme kontseptsiooni loojatest,

seletas keemilist sidet kui ühise elektronpaari teket

BF3 + NH3 = F3BNH3

Boorfluoriid on elektroonpaari haaraja – aktseptor, on hape

HAPE on suure afiinsusega elektronpaari suhtes.

Ammoniaak on elektronpaari äraandja – doonor, on alus

NH3 + HCl = NH4Cl = NH4+ + Cl siin ühine e-paar läheb kloorile

38

Svante Arrhenius (1859-1927)

Nobeli preemia 1903

RT

EAk a lnln

k – reaktsiooni kiiruskonstant;

A – iseloomustab osakeste kokkupõrke sagedust;

Ea – aktivatsioonienergia (reaktsiooni kulgemiseks vajaliku minimaalse energia mõõt);

R – universaalne gaasikonstant;

T – temperatuur Kelvini kraadides.

Pea kõik reaktsioonid kulgevad kiiremini kõrgemal temperatuuril –

temperatuuri tõstmisel 10 kraadi võrra kiireneb reaktsioon

keskmiselt 2 korda.

ARRHENIUSE

VÕRRAND

HÜDROKEEMILISED PROTSESSID TEMPERATUURI MÕJU

39

Termini “ökoloogia” võttis 1866.a. kasutusele saksa

bioloog,

filosoof,

kunstnik

ja meditsiiniteadlane

Ernst Heinrich Philipp August Haeckel (1834 –1919).

ÖKOLOOGIA mõiste tuleneb kreeka keelest ( oikos 'maja, kodu' + logos

'mõiste', 'õpetus').

Ökoloogias uuritakse suhteid ja protsesse ökosüsteemides, sealhulgas elusa ja

eluta looduse omavahelist suhet.

Vaadeldes ökosüsteemi kui tervikut, selle osade vahelisi seoseid ning nende

toimimist, keskendub ökoloogia aineringete, organismide vaheliste suhete ja

organismide keskkonna uurimisele.

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID MÕISTEID - ÖKOLOOGIA

40

ÖKOLOOGIA on teadus organismide, nende populatsioonide ning koosluste

ja keskkonnatingimuste vastastikuseist suhteist.

AUTÖKOLOOGIA – uurimisobjektiks üksikorganismid

DEMÖKOLOOGIA – populatsioonid

SÜNÖKOLOOGIA – bakteri-, seene-, taime- ja loomakooslused

GEOÖKOLOOGIA – maastikud koos neid asustava elustikuga

GLOBAALÖKOLOOGIA – biosfäär

ÜLDÖKOLOOGIA – eluslooduse ja keskkonna vastastikuse

mõju üldiste seaduspärasuste selgitamine

Mõistet ‘ökoloogia’ kasutatakse sageli veel samatähenduslikult mõistetega

KESKKONNABIOLOOGIA

KESKKONNAKAITSE probleemistik

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID MÕISTEID - ÖKOLOOGIA

41

ÖKOSÜSTEEM

1. Funktsionaalne süsteem, milles toitumissuhete (aine ja energia

ülekande) kaudu seostunud organismid koos keskkonnatingimuste

kompleksiga moodustavad isereguleeriva areneva terviku.

2. Biosfääri elementaarosa, milles üks biotsönoos koos sellele omase

biotoobiga moodustab mingil piiritletaval alalaineringe kaudu reguleeriva

süsteemi.

BIOTSÖNOOS

elukooslus, ühesuguste keskkonnatingimustega alal elavate organismide kogum

BIOTOOP

1. biotsönoosi abiootiliste tegurite kompleks (muld, veerežiim, mineraaltoitumise režiim, kliima;

2. koosluse elupaik, suhteliselt ühesuguste keskkonnatingimustega ala.

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID MÕISTEID - ÖKOSÜSTEEM

42

PRIMAARPRODUKTSIOON (algtoodang, esmatoodang) on autotroofsete

organismide kasutatud energia, mis moodustab toiduahela esimese astme

(primaarse troofilise taseme) kogutoodangu.

P/R – primaarse produktsiooni (P) ja respiratsiooni (R) suhe, mis näitab

organismi kohastumist olelustingimustele. Kohastumine on olnud seda edukam,

mida suurem on produktsioon (P) võimalikult väikeste kulutuste (R) korral.

AUTOTROOF – sünteesib elutegevuseks vajalikud org. ühendid

väliskeskkonnast saadavatest anorgaanilistest ainetest (valgusenergia –

fotosünteesijad / redoksreaktsioonides vabaneva keemilise energia abil –

kemosünteesijad).

HETEROTROOF – organism, kes saab oma elutegevuseks vajaliku energia

toidus sisalduva orgaanilise aine oksüdatsioonil.

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID MÕISTEID - PRIMAARPRODUKTSIOON

43

PLANKTON veekogus hõljuvate liikumisvõimetute või väikese liikumisvõimega organismide – plankterite – kogum

BAKTERIOPLANKTON pisihõljum (bakterid, pisiseened)

FÜTOPLANKTON vees hõljuvate taimede (mikroskoopiliste vetikate) kogum, mis areneb ainult ülemises veekihis, kuhu ulatub valgus (eufootilises kihis)

ZOOPLANKTON loomhõljum (ainuraksed, vesikirbulised, põhjaloomastiku vastsed jne.)

Üldjuhul on veeökosüsteemi matemaatilisel modelleerimisel

bioloogilisteks objektideks vaid bakterid, bentos ja plankton.

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID MÕISTEID - PLANKTON

44

Veeökosüsteemi matemaatilistes mudelites

vaadeldakse organismide ehitust ning organismi ja

väliskeskkonna vahelisi reaktsioone väga

lihtsustatult.

Toitumisahelas üksikute lülide kirjeldamisel on

mudelites populatsiooni parameetriteks:

• mass (kontsentratsioon)

• koostis (C,N,P)

ning protsessideks:

• juurdekasv

• vähenemine

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID MODELLEERIMINE

45

Eksponentsiaalne kasv – ressursi puudus ei pidurda kasvu

Logistiline kasv – populatsiooni kasvades ressursid vähenevad

Keskkonna vastupanu – kahe kõvera vaheline ala

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 Aeg

Arv

uk

us

Eksponentkasvukõver

Logistiline kasvukõver

Keskkonnamahtuvus

Keskkonna

vastupanu

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID POPULATSIOONI KASV

46

LIEBIGI REEGEL (miinimumreegel) - organismi

kasvu (eksisteerimist) piirab kõige rohkem see tegur või

toitumiseks vajalik element (ressurss), mille

kättesaadavus keskkonnas on vajadusega võrreldes

väikseim.

MITSCERLICHI REEGEL (kasvutegurite reegel) -

organismi kasv defitsiitse teguri ühikulisel suurenemisel

on võrdeline teguri maksimumi ja antud väärtuse

vahega.

BAULE REEGEL - organismi kasv mitme defitsiitse faktori samaaegsel

esinemisel on võrdeline nende faktorite üksikefektide korrutisega.

SHELFORDI REEGEL – liigi eluvõimalusi piirab tema ökoamplituud

(tolerantsuse piirid) limiteerivate tegurite suhtes.

Justus von Liebig (1803-1873)

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID KASVU LIMITEERIVAD TEGURID

47

ÖKOAMPLITUUD (ökovalents,ökoloogiline tolerants) – keskkonnaparameetri

piirkond, milles mingi liigi isendid saavad elada, kasvada ja paljuneda.

Y – elutegevuse aktiivsuse

(nt. kasvukiiruse,

produktiivsuse) integraalne

näitaja

X – keskkonnateguri mõõt

A – miinimum, C – optimum, B – maksimum

A0 , B0 – letaalne miinimum ja maksimum

Lõik AB – ökoamplituud – püsivat elutegevust võimaldav vahemik

Lõikudes A0A ja B0B on võimalik vaid inaktiivne elutegevus

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID MÕISTEID - ÖKOAMPLITUUD

48

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID ALGTOODANG (PRIMAARPRODUKTSIOON)

sü

ga

vu

s

Eutroofse järve algtoodang

Oligotroofse järve algtoodang

valg

usta

tud k

iht

valg

usta

tud k

iht

Algtoodang veeökosüsteemis

-Fütoplankton

-Fütobentos

-Makrofüüdid

49

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID FÜTOPLANKTONI NÄITLIK AASTASISENE JAOTUS

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Aeg, kuu

ränivetikad

rohevetikad

sinivetikad

arv

ukus

50

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID ZOOPLANKTONI ÖÖPÄEVANE LIIKUMINE

päevane aeg öine aeg päevane aeg

Ööpäev

sügavus

Joonis: Redfield ja Goldman, 1978

Vert

ikaals

e

mig

rats

iooni ula

tus

51

)],,min(;[ INPTf

– organismi kasvukiirus,

f[ ] – kasvu mõjutegurite funktsioon,

Min() – valitakse limiteeriv (vähima väärtusega) tegur

T - temperatuurisõltuvus,

P,N,I – kasvusõltuvused vastavalt fosfori-, lämmastiku- ning valgustingimustest

Veekvaliteedi mudelites kasutatakse organismide kasvu kirjeldamisel sageli

Liebigi reeglit ning primaarproduktsiooni piiravate teguritena vaadeldakse

tavaliselt vees lahustunud fosfori- ja lämmastikusisaldusi ning valgustingimusi.

Kõik kasvuprotsessid sõltuvad temperatuurist, olenemata toiteainetest või

valgusest.

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID LIEBIG’i PRINTSIIBI KASUTAMINE MODELLEERIMISEL

52

Leonor Michaelis (1875-1949)

Maud Menten (1879-1960)

M ichaelis-Menten equation

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 20 40 60 80 100

Concentration C

Gro

wth

rate

CS = 5

CS = 10

CS = 20

43

43max

NHNON

NHNO

S

4

4max

POP

PO

S

)],,min(;[ INPTf

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID TOITEAINETE SISALDUSE MÕJU KASVUKIIRUSELE

Michaelis-Menteni valem

53

K – reaktsioonikiirus, 1/t; T – temperatuur, C0; q – koefitsient (1.07)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 5 10 15 20 25 30

Temperature, C0

Rela

tive

rea

cti

on

ra

te, 1

/t

dC/dt = k(T) C

k(T) = k(20) qT-20

)],,min(;[ INPTf

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID TEMPERATUURI MÕJU KASVUKIIRUSELE

54

)],,min(;[ INPTf

PAR(z) = PAR(0)e-kz

PAR(0) = 0.47 I(0)

ERINEVAD

MUDELID:

STEELE

SMITH

MICHAELIS-MENTEN

PAR – fotosünteetiliselt aktiivne kiirgus (Photosyntetically Available Radiation)

k – valguse vertikaalse sumbumise koefitsient

I(o) – valguse intensiivsus veepinnal;

z – sügavus veepinnast

PAR

SU

HT

EL

IN

E K

AS

VU

KIIR

US

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID VALGUSE MÕJU KASVUKIIRUSELE

55

Mõõtmisandmed veekogus:

0.07 mg P/l; 0.20 mg N/l

P-poolküllastuskontsentratsioon on 0.03 mg P/l

N-poolküllastuskontsentratsioon on 0.10 mg N/l. Näidake Michaelis-Menteni valemi abil, kas selles veekogus limiteerib vetikate kasvu

fosfor või lämmastik? (Märkus - max kasvukiirust ei ole lahendamiseks vaja teada.)

Lahendus:

1) Meenutagem

fx on Michaelis-Menteni funktsioon,

x - limiteeriv faktor,

kx - poolküllastus konstant.

2) Kasvukiirus P järgi fx = 0.07/(0.03 + 0.07) = 0.07/0.10 = 0.70 3) Kasvukiirus N järgi fx = 0.20/(0.10 + 0.20) = 0.20/0.30 = 0.67

Vastus:

Kasvu limiteerib veekogu lämmastikusisaldus (sest lämmastikust sõltuv kasvukiirus

on väiksem).

)],,min(;[ INPTf

xk

xf

x

x

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID ÜLESANNE: LEIA KASVUKIIRUS

56

mineraalne

C, N, P

planktoni suremine

orgaaniline aine (detriit)

C:N:P=106:16:1

fütoplankton

C:N:P=106:16:1

zooplankton

C:N:P=106:16:1

N2 CO2

orgaanilise aine

lagunemine

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID REDFIELD’i STÖHHIOMEETRIA

57

Vees mõõdetud:

42 400 mg C/m3; 2 400 mg N/m3; 300 mg P/m3

Milline on limiteeriv element? Jagades vastava Redfield’i suhtarvuga saame ‘ühiku’, mis väljendab kui palju orgaanilist ainet võimaldab sünteesida iga element:

42 400 C / 106 C = 400

2 400 N / 16 N = 150

300 P / 1 P = 300

N omab siin väikseimat väärtust, seega on ta limiteerija.

106 C : 16 N : 1 P on stöhhiomeetriline suhe ning arvestades C,N,P aatomkaale

(vastavalt 12, 14, 31) on massisuhted ligikaudu 41 C : 7,2 N : 1 P

42,400 C / 41 C = 1034 2,400 N / 7.2 N = 333

300 P / 1 P = 300 Selles näites osutub limiteerijaks fosfor

Vale tegevus

http://www.guilford.edu/original/academic/geology/redfield.html

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID REDFIELD’i STÖHHIOMEETRIA - SEGADUSED

58

Veekogus määrati toitelementide sisalduseks:

0.08 mg PO4-P/l

0.15 mg NO3-N/l

0.08 mg/NO2-N/l

0.25 mg/NH3-N/l

Näidake, kas selles veekogus limiteerib vetikate kasvu fosfor või lämmastik?

Lahendus:

1) Vetikates on N : P kaalulised suhtarvud (Redfieldi suhtarvud) 7.2 : 1

2) Vees on 0.08 mg P/l ja (0.15+0.08+0.25) = 0.48 mg N/l

3) Veekogus on N : P kaaluline suhe 0.48 : 0.08 = 6 : 1 Vastus:

Veekogus on kasvu limiteerivaks elemendiks N (sest orgaanilise aine

ülesehitamiseks on iga 1 grammi P kohta vaja 7.2 grammi N)

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID REDFIELD’i STÖHHIOMEETRIA - ÜLESANNE

59

Michaelis-Menteni valem võimaldab leida, milline toiteainetest

piirab kasvu antud hetkel.

Redfield’i suhtarv võimaldab hinnata, milline toiteainetest on

potentsiaalne kasvu piiraja.

Redfield’i stöhhiomeetrilised suhtarvud C:N:P

Redfield’i kaalulised suhtarvud C:N:P

Redfield’i suhtarvud ei ole konstandid. Erinevatel organismidel

(ja ka erinevates kasvutingimustes) need suhtarvud

varieeruvad.

HÜDROBIOLOOGILISED PROTSESSID JÄRELDUSI (MICHAELIS-MENTEN, REDFIELD)

106 C : 16 N : 1 P

41 C : 7.2 N : 1 P

60

AINERINGE VESI

61

AINERINGE SÜSINIK

62

AINERINGE SÜSINIK ATMOSFÄÄRIS

63

Commonwealth of Australia 2005, Bureau of Meteorology Commonwealth of Australia 2005, Bureau of Meteorology

AINERINGE SÜSINIK ATMOSFÄÄRIS

64

Keskkonnaministeeriumi Info- ja Tehnokeskus | Mustamäe tee 33, 10616 Tallinn | [email protected]

Saastatuse tulemusena

denitrifikatsioon väheneb

ja osa lämmastikust

väljub ringest.

Atmosfääris N kogus

3,9*1015 t

Aastas võetakse

atmosfäärist

1,87*108 t

Aastas tagastatakse

atmosfääri

1,62*108 t

Aastane vajak

0,62*108 t

Ammoonium NH4

+

N2 fikseerimine

Ammonifikatsioon

Denitrifikatsioon

Nitrifikatsioon

Orgaaniline N

Nitrit,nitraat NO2

- NO3-

Gaasiline N2

AINERINGE LÄMMASTIK

65

Elusorganismid vajavad lämmastikuühendeid nii valkude kui

nukleiidhapete koostises.

Põhiliseks lämmastikureservuaariks on atmosfäär, sest gaasiline

lämmastiku (N2) sisaldus õhus moodustab 79%.

Enamik organisme ei suuda omastada õhus sisalduvat lämmastikku, vaid

taimedele on lämmastikuallikaks nitraadid (NO3-), ammoniaak (NH3)

või karbamiid (NH2)2CO.

Lämmastikuringe biosfääris toimub 4 protsessi osalusel:

• Õhulämmastiku sidumine

• Lagunemisprotsessid

• Nitrifikatsioon

• Denitrifikatsioon

AINERINGE LÄMMASTIK

66

Gaasiline lämmastik (N2) on inertne, tema sidumine (teiste elementidega

ühendite moodustamine) toimub biosfääris kolme protsessi kaudu:

a) Õhulämmastiku sidumine valguse toimel – valguse energia lõhustab N2

molekuli ning N aatomid moodustavad hapnikuga oksiide. Need

lämmastik-oksiidid kanduvad koos vihmaga nitraatidena tagasi maale.

b) Bioloogiline sidumine mikroorganismide osalusel

c) Tööstuslik õhulämmastiku sidumine – kõrgel rõhul ja temperatuuril

(6000C) ning katalüsaatorite (H2) juuresolekul toodetakse

õhulämmastikust ammoniaaki (NH3), mida kasutatakse väetisena.

AINERINGE ÕHULÄMMASTIKU SIDUMINE

67

NITRIFIKATSIOON

Taimed saavad oma juurte kaudu omastada ammooniumi. Enamasti orgaanilise

aine lagunemisprodukt ammoonium muudetakse mikroorganismide abil

nitraatideks.

Nitrifikatsioon koosneb kahest järgust:

Nitrosomonas bakterid oksideerivad NH3 nitrititeks (NO2−).

Nitrobacter nimelised bakterid oksideerivad nitritid nitraatideks (NO3−).

Neisse kahte bakterigruppi kuuluvaid baktereid nimetatakse nitrifitseerivateks

bakteriteks.

NH3 + O2 → NO2− + 3H+ + 2e−

NO2− + H2O → NO3

− + 2H+ + 2e−

DENITRIFIKATSIOON

Anaeroobsetes tingimustes redutseeritakse bakterite toimel nitraadid gaasiliseks

lämmastikuks, mis satub taas atmosfääri.

2NO3- + 10e- + 12H+ → N2 + 6H2O

AINERINGE LÄMMASTIK – NITRIFIKATSIOON JA DENITRIFIKATSIOON

68

PEDOSFÄÄR (muldkate)

Eluta orgaanilises aines 4.2*109t

Organismid, eluprotsessid (ainult fosfaatidena)

Maismaal 5*109t Vees 7.7*109t

HÜDROSFÄÄR Eluta orgaanilises

aines 6*109t

LITOSFÄÄR Setendikihis 1.3*1015t

Graniidikihis 5.8*1015t

AINERINGE FOSFOR

69

Fosfor esineb looduses peamiselt ortofosfaadina PO43-, pinnases - raskesti

lahustuvate kaltsiumi-, alumiiniumi- ja rauafosfaatidena mitmesuguste

mineraalide koostises ning orgaaniliste ühenditena (nt. ATP).

Fosfor (nagu ka lämmastik) on elusorganismidele oluline element, sest ta

kuulub nii taimesete kui loomsete valkude koosseisu.

Fosfori veekokku sattumise üheks allikaks on väetiste kasutamine

põllumajanduses. Erinevalt lämmastikühenditest on fosforiühendid raskesti

lahustuvad ning seetõttu nende pinnasest väljauhtumine on aeglane.

Oluliseks teeks fosfori pinnasest vette sattumisel on erosioon.

Fosforikoormuse põhjustajaks on ka pesuvahendid. Pesuvahendites

kasutatakse fosfaate lahustuvate polüfosfaatidena, mille eesmärgiks on

siduda nn. karedas vees sisalduvaid kaltsiumi- ja magneesiumiioone.

AINERINGE FOSFOR

70

Hapnikuga moodustab fosfor 3 ühendit:

P2O3 – difosfortrioksiid

P2O4 – difosfortetroksiid

P2O5 – difosforpentoksiid

Difosforpentoksiid võib temperatuurist olenevalt siduda erinevaid veehulki,

moodustades meta-, püro-, või ortofosforhappe:

P2O5 + H20 = 2HPO3 (metafosforhape)

P2O5 + 2H2O = H4P2O7 (pürofosforhape)

P2O5 + 3H2O = 2H3PO4 (ortofosforhape)

Nendest kolmest happest tähtsaim on ortofosforhape, mida tavaliselt

peetaksegi silmas fosforhappest rääkides.

AINERINGE FOSFORIÜHENDID

71

Taimedele P omistamiseks parim

pH piirkond on 6-7.5.

Magevetes on lahustunud P

mõjutatud sulfaatioonide

sisaldusest, sest SO42- omakorda

mõjutab pH taset.

Happevihmad võivad suurendada

lahustunud fosfaatide

kontsentratsiooni ning tõsta

veekogu primaarproduktsiooni.

Fosfori omastamine taimede poolt sõltub pH -st: happeliste tingimustes

moodustab P mineraalseid Fe või Al ühendeid, aluselistes tingimustes

formeerub P sade Ca ühenditena.

AINERINGE FOSFORI OMASTATAVUS JA pH

72

Taimed omastavad fosforit mullast, kus ta esineb fosforhappe sooladena. Fosforit on

looduslikus mullas väga vähe, siis saagikuse suurendamiseks on vaja lisada väetisi.

Tähtsaimaks fosforiühendiks on kaltsiumfosfaat Ca3(PO4)2, mis moodustab mineraal

fosforiidina kohati suuri lademeid. Sageli esineb fosfor looduses mineraal apatiidina,

mis sisaldab peale Ca3(PO4)2 veel kaltsiumfluoriidi CaFl2 või kaltsiumkloriidi CaCl2.

Looduslikud fosforiühendid – fosforiit ja apatiit – on raskestilahustuvad. Taimedele

kergesti omastatavate väetiste saamiseks töödeldakse fosforiiti keemiliselt saades

tulemuseks fosforväetised. Tähtsaimad fosforväetised on superfosfaat ja pretsipitaat.

Superfosfaadi saamiseks segatakse peeneks jahvatatud fosforiit väävelhappega, saades

vees kergesti lahustuva fosfaadi Ca(H2PO4)2 segu, mida peenestatult või granuleeritult

nimetatakse superfosfaadiks.

Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 = 2CaSO4 + Ca(H2PO4)2

AINERINGE FOSFORIVÄETISED

73

http://www.ceep-phosphates.org/Files/Newsletter/scope21/part1.pdf

PÕLLUMAJANDUS-

TEGEVUS Loomakasvatus

Põllukultuurid

Mets

MULLA

ISELOOMUSTUS Keemiline

Bioloogiline

Füüsikaline (erosioon)

PÕLLUMAJANDUSEST VEEKOGUDESSE SATTUV P

ESINEMISVORM Lahusena

Osakestena

AINERINGE FOSFORIVÄETISED

74

Suletud süsteemis, kus puuduvad allikad ja süsteemi piiridel ei toimu vahetust, on

süsteemis sisalduv üldsüsinik, üldlämmastik ja üldfosfor jäävad suurused:

Vaatleme C,N,P jäävust veeökosüsteemi mudeli FinEst (Rein Tamsalu) näitel:

0)()()(

dPdt

ddN

dt

ddC

dt

düldüldüld

(x,y, z ) – veeökosüsteemi kolmemõõtmeline (3D) piirkond on piiratud järgmiste

radadega:

• veepind – vahetusprotsessid atmosfääriga;

• veekogu põhi – 1) inertne põhi, 2) vahetusprotsessiline settekiht;

• külgmine piir – 1) suletud piir (kallas), 2) avatud piir.

AINE JÄÄVUSE SEADUS BIOLOOGILISTE PROTSESSIDE MODELLEERIMISEL (1)

75

Modelleerimisel on oluline, et lisaks kogu süsteemis kehtivale jäävuse seadusele

oleks tagatud ka lokaalne konservatiivsus – aine hulk vahetusprotsessides ei tohi

muutuda:

0 üldüldüld Pdt

dN

dt

dC

dt

d

Lokaalse konservatiivsuse tingimuse täitmine aitab

modelleerimisel vältida süsteemisiseseid arvutuslikke allikaid

ja aine kadu süsteemist.


76

0)(11

DBFFcpFFFNh

k

Hnh

Na

k

AnaDOPDIPPtot

0)(11

DBFFcnFFFNh

k

Hnh

Na

k

AnaDONDINNtot

0)(11

DBFFccFFFNh

k

Hnh

Na

k

AnaDOCDICCtot

Nii näevad välja C, N, P koondvõrrandid Rein Tamsalu loodud

veeökosüsteemi mudelis FinEst.

NB! Kõigis toitumisahela lülides (A-autotroofid, H-heterotroofid, B-

bakterid, D-detriit) on oletatud võrdseid C,P,N fraktsioone (cc,cn,cp).


77

Mereökosüsteemi mudelis kirjeldatakse on abiootilisi ja biootilisi protsesse.

Abiootilised protsessid on vees toimuvad füüsikalis-keemilised arengud,

biootilised protsessid toimuvad elusoganismides.

Biootilistes protsessides osalevad:

1. TOOTJAD (produtsendid, autotroofid) – fotosüneesis orgaanilist

ainet tootvad organismid;

2. TARBIJAD (konsumendid, heterotroofid) – organismid, kes

toituvad (otse või teiste tarbijate vahendusel) produtsentide poolt

toodetud ainest;

3. LAGUNDAJAD (redutsendid) – loomset ja taimset surnud

orgaanilist ainet ensüümide abil lagundavad bakterid ja seened.

Tootjad, tarbijad ja lagundajad moodustavad toitumisahela, kus esimeseks

lüliks (esimeseks troofiliseks tasemeks) on autotroofid.

PLANKTON MUDELIS ÜLDMÕISTEID

78

Esimeseks arvestatavaks planktonkoosluse matemaatiliseks mudeliks võib

pidada Vigo Volterra mudelit (1931):

HkHAkdt

dH

HAkAkdt

dA

****

***

32

21

A ja H on vastavalt tootja (saak - autotroof) ja tarbija (kiskja -

heterotroof) biomass [g/m3],

k1 kasvu erikiirus [1/s],

k2 tarbimise erikiirus [m3/g/s],

k3 kadu (kõdunemise) erikiirus [1/s],

kasvu kasutegur.

PLANKTON MUDELIS VOLTERRA MUDEL

79

FinEst mudelis on plankton

jaotatud neljaks autotroofi ja

heterotoofi suurusklassiks ning

bakterplanktoniks.

Toitumisahel koosneb neljast

kolmikust (tripletist), kus iga

kolmik sisaldab ühte kiskjast

tarbijat, ühte fütoplanktonist

tootjat ja ühte zooplanktonist

saaki. Seejuures muutub

viimane järgmises tripletis

kiskjaks. Eksperimentide alusel

võib väita, et selline

toitumisahel kehtib 80-90 %

ulatuses.

Puuduvad kalad.

A4

pikofütoplankton

A3

fütoflagellaadid

A2

nanofütoplankton

A1

netfütoplankton

H5

bakterplankton

H4

zooflagellaadid

H3

nanozooplankton

H2

mikrozooplankton

H1

mesozooplankton

P, N

, C

PLANKTON MUDELIS TOITUMISAHEL FinEst MUDELIS (Rein Tamsalu)

80

FinEst mudelis on nelja suurusklassiga planktonkooslus (Na=Nh=4) jagatud

järgnevalt:

Autotoofid (fütoplankton) 1. Netfütoplankton (A1) mõõtmetega 25 -250 m

2. Nanofütoplankton (A2) mõõtmetega 5.0-50 m

3. Fütoflagellaadid (A3) mõõtmetega 1.0-10 m

4. Pikofütoplankton (A4) mõõtmetega 0.2-2 m

Heterotoofid (zooplankton)

1. Mesozooplankton (H1) mõõtmetega 125-1250 m

2. Mikrozooplankton (H2) mõõtmetega 25-250 m

3. Nanozooplankton (H3) mõõtmetega 5.0-50 m

4. Zooflgellaadid (H4) mõõtmetega 1.0-10 m

Heterotoofid (bakterplankton)

5. Bakerplankton (H5 või ka B) mõõtmetega 0.2-2 m

PLANKTON MUDELIS PLANKTONIVÕRRANDID FinEst MUDELIS (1)

81

FinEst mudelis on kirjeldatud neljatripletset planktonkooslust:

Na,...,n

z

AwaDaeDarDamGahGa

t

A nnnnnnn

n

Nh,...,n

DheDhrDhmGhh)GhhGah(t

Hnnnnnn

n

DbrGhhGbt

BNh

Autotroofid

(fütoplankton)

Heterotroofid

(zooplankton)

Heterotroofid

(bakterplankton)

Gan - autotroofide kasv, Gahn - autotroofide tarbimine heterotroofide poolt, Ghhn -heterotroofide

tarbimine eelmise tripleti heterotroofide poolt, Damn ja Dhmn - autotroofide ja heterotroofide

suremine, Darn ja Dhrn - autotroofide ja heterotroofide hingamine, Daen ja Dhen - autotroofide ja

heterotroofide eneselahustumine, Gb - bakterplanktoni kasv, GhhNh - bacterplanktoni tabimine

zooflagellaatide poolt, Dbr- bacterplankoni hingamine, wan - autotroofide settimiskiirus.


82

Eraldi, väljaspool triplettsüsteemi, on FinEst’is vaadeldud sinivetikaid, mis

võimaliku toksilisuse tõttu ei allu tavalisele ‘saak-kiskja’ tsüklile.

Võrrand sinivetikatele omab järgnevat kuju:

NaNaNa DaeDarGat

ANa

A Na+1 on sinivetikate biomass

Ga Na+1 kirjeldab sinivetikate kasvu,

Dar Na+1 sinivetikate hingamist,

Dae Na+1 sinivetikate eneselahustust.

Sinivetikate modelleeimisel on energia kadu kirjeldatud higamise ja

eneselahustuse reaktsioonidega. Arvesse ei võeta suremist ja

settimist.


83

Biokeemiliste reaktsioonide parametriseerimisel kasutatakse FinEst

mudelis esimest järku (lineaarset) kineetikat suremise, hingamise ja

eneselahustuse reaktsioonide kirjeldamisel.

Fütoplanktoni ja bakterplanktoni kasvu (esmase produktsiooni)

kirjeldamisel kasutatakse kvaasilineaarset kineetikat.

Tarbimisreaktsioone kirjeldatakse teist järku (ebalineaarse) kineetika

alusel.

Temperatuuri mõju reaktsiooni kiirusele arvestatakse temperatuuri

limiteeriva faktori fT kaudu.

PLANKTON MUDELIS REAKTSIOONIDE PARAMETRISEERIMINE FinEst MUDELIS (1)

84

Reaktsioonikiiruste võrrandid erinevatele suurusklassidele n:

B*f*Cb*ceDbe

H*f*Ch*ceDhe

A*f*Ca*ceDae

B*f*Cb*crDbr

H*f*Ch*crDhr

A*f*Ca*crDar

H*f*Ch*cmDhm

A*f*Ca*cmDam

H*H*fhh*f*ChGhh

H*A*fah*f*ChGah

B*fb*f*CbGb

A*fa*f*CaGa

Tb

nThnnn

nTannn

Tb

nThnnn

nTannn

nThnnn

nTannn

nnnThnnn

nnnThnnn

Tb

nnTannn

Can , Chn ja Cb on vastavalt

autotroofide, heterotroofide ja

bakterplanktoni maksimaalne

kasvu erikiirus;

cm, cr ja ce on vastavalt

mittedimesionaalne suremise,

hingamise ja iselahustavuse

konstant.


85

Toiteainete omastamist autotroofide ja bakterplanktoni poolt ning

autotroofide tarbimist heterotroofide poolt kirjeldatakse FinEst mudelis

Michaelis-Menteni tüüpi kineetikaga:

xk

xf

x

x

fx on Michaelis-Menteni funktsioon,

x - limiteeriv faktor,

kx - poolküllastus konstant.


86

Funktsioonid fan, fb, ja fahn arvutatakse Michaelis-Menteni kineetikat

kasutades järgnevalt:

)DICcac

DIC;

DINcan

DIN;

DIPcap

DIP;

Icai

Imin(fa

nnn

n

)DOCDICcac

DOCDIC;

DONDINcan

DONDIN

;DOPDIPcap

DOPDIP;

Icai

Imin(fb

nn

n

.HAcaz

fhh

;HAcaz

fah

nHnAn

Hn

nHnAn

An

I=PAR*I0exp(-z) on valguse intensiivsus,

PAR on fotosünteetiliselt kättesaadav

valgus(400-700 nm),

I0 on raditsioon vee pinnal,

on valguse kustumise koefitsient, mis sõltub

vee omadustest, planktoni ja heljumi

kontsentratsioonist vees.

DIP on anorgaaniline vees lahustunud fosfor,

DIN on anorgaaniline vees lahustunud

lämmastik,

DIC on anorgaaniline vees lahustunud süsinik,

capn, cann, cacn, cai, cazn on Michaelis-Menteni

poolküllastus konstandid, A=An/(An+Hn+1) ja

H=Hn+1/(An+Hn+1) on zooplanktoni toidueelistuse

funktsioonid.


87

Kasutades seost A+ H =1, saadakse FinEst mudelis heterotroofide

toitumist kirjeldav järgnev Michaelis-Menteni funktsioon:

.HA)HA(*caz

Hfhh

;HA)HA(*caz

Afah

nnnnn

nn

nnnnn

nn

kus

fahn – autotroofi suurusklassi An osakaal heterotroofi suurusklassi Hn

toitumisel,

fhhn – heterootroofi suurusklassi Hn+1 osakaal heterotroofi suurusklassi Hn

toitumisel.


88

Sinivetikad saavad kasvuks vajaliku lämmastiku õhust ning seetõttu vees

olev lämmastik neid ei limiteeri. Vastavalt sellele omab Michaelis-Menteni

funktsioon sinivetikate kasvule järgnevat kuju:

)DICcac

DIC;

DIPcap

DIP;

Icai

Imin(fa

NaNa

Na


89

Meres elab tuhandeid erinevaid organismiliike, mistõttu liigilisel koosseisul

rajanev modelleerimine raskendab üldistuste tegemist. 20-30 aastat tagasi

hakkas hüdrobioloogide seas tunnustust leidma suurusklassidel põhinev

süsteem planktoni kirjeldamisel.

Lõuna Aafrika teadlased Coleen L. Field ja John G. Moloney leidsid (1991)

vaatlusandmete alusel, et planktoni arengut kirjeldavad biokeemilised

reaktsioonide (kasv, hingamine, suremine jne.) kiirused G sõltuvad planktoni

massist M mingil astmel n.

nMG

Ülaltoodud reaktsioonide massisõltuvus (suurussõltuvus) on FinEst mudeli

üks põhialustest. Selline kirjeldus vähendab oluliselt etteantavate

kiiruskoefitsientide arvu.


90

Planktoni maksimaalsed kasvukiirused

sõltuvalt tema suurusklassi massist M

4/1

4/1

4/1

*

*

*

B

Hn

An

n

n

Mca

Mch

Mca

Cb

Ch

Ca Autotroofid Heterotroofid Bakterplankton

Poolküllastuse koefitsendid sõltuvad

samuti suurusklassi massist M

38.0

An

A

A

A

n

n

n

M

cc

cn

cp

cac

can

cap

08.0 HnHn Mczcaz

ca, ch, cpA, can, ccA, czH

on universaalsed

empiirilised koefitsendid.

Empiiriliste koefitsentide

hulk neljatripletses

planktonkoosluse mudelis

väheneb massist sõltuva

parametriseerimise korral

kahekümneviielt kuueni.


91

ÖKOSÜSTEEMI KONTROLLIMINE “ALT ÜLES”

Keskkonna-tingimuste (näit. toiteainete vähenemine) mõju

92

ÖKOSÜSTEEMI KONTROLLIMINE SAAK-LOOMADE VÄHENDAMISE MÕJU

93

ÖKOSÜSTEEMI KONTROLLIMINE “ÜLALT ALLA”

”kiskjate” vähendamise mõju

94

• Protsessid looduses (meres, järves, jões, tiigis) ja

puhastusseadmetes on vägagi sarnased.

• Mudelite võrranditega väljendatakse protsesside üldisi

seaduspärasusi vaadeldavas ruumi- ja ajaskaalas.

• Protsesside kirjeldamiseks olgu süsteemis tagatud jäävuse

seadused.

• Võrrandi kõigil liikmetel peab olema sama dimensioon.

• Kõikjal tuleb kasutada samu ühikuid.

• Teadkem inimesi, kes on oma ala tipud.

PROTSESSID VEEÖKOSÜSTEEMIS KOKKUVÕTE

95

Taivo Laevastu

Leopold Paal

Ain Aitsam

Harald Velner

Uno Liiv

Aleksander Maastik

Heino Mölder

Rein Tamsalu

Jüri Elken

Tarmo Soomere

Jaak Heinloo

August Velner

Heinrich Riikoja

Karl Hommik

Tiit Eipre

Armin Kask

Helle Simm

Anto Raukas

Aare Mäemets

Arvi Järvekülg

Evald Ojaveer

Tiina Nõges

Peeter Nõges

VEEÖKOSÜSTEEMI UURIJAD EESTIS NIMED

panta rhei kÕik - keskkonnaagentuur 4 - protsessid ja tegurid.pdfvee molekul moodustab...

Documents