Nedenfor er der en oversigt over nogle grundlæggende oplysninger om limnologi og søforvaltning, som er vigtige at kende for at forstå søer og det store billede af søforvaltning. For mere detaljerede oplysninger kan du besøge NALMS Bookstore, som har adskillige publikationer om generel limnologi og sørelaterede emner.
Bassintyper
Hændelser, der fandt sted på eller under jordens overflade for tusindvis af år siden, dannede mange af vores søer. Som følge heraf er søer normalt koncentreret i områder, der har et stort antal vandområder. De fleste søer findes på den nordlige halvkugle, hvor store områder var dækket af enorme isformationer. Set i forhold til menneskers levetid synes søer at være permanente elementer i vores landskab, men de er i virkeligheden kun geologisk set midlertidige. De skabes, modnes (fyldes ud) og forsvinder til sidst.
Søernes oprindelse og deres karakteristika afspejler i sidste ende de fysiske, kemiske og biologiske begivenheder, der finder sted i det område, der omgiver dem. Disse begivenheder spiller en vigtig rolle for, hvordan søen reagerer på de omkringliggende aktiviteter.
Glaciale søer: Langt de vigtigste aktører i dannelsen af søer er de katastrofale virkninger af istidsbevægelser, der fandt sted for 10.000 til 12.000 år siden. Gigantiske is- og snedække opstår i klimaer, hvor sneen falder, men ikke smelter. Gletscherne dækkede et område fra Atlanterhavet til Rocky Mountains med is, der var mere end en kilometer høj. Selv om disse gletsjere til sidst smeltede, er ti procent af jorden i dag dækket af gletsjere. Nogle af disse gletsjere kan stadig ses i de bjergrige områder i USA og Canada.
Når en gletsjer bevæger sig frem og tilbage over landet og skraber toppen af bakker og klipper af og tager sten med sig, dannes der søer. Det materiale, som gletsjeren har taget op, bliver senere aflejret på andre steder. Denne frem- og tilbagebevægelse og gletsjernes stop- og gåbevægelse ændrer permanent landskabet. Denne bevægelse skaber flere vigtige landskabsformer. Når gletsjeren stopper, efterlader den bunker af sten og materialer, som den har ført med sig gennem tiden, kaldet moræneler. Disse opdæmmer floder og mindre vandløb og danner søer. Nogle gange brydes store isblokke af og dækkes af sand og grus. Når isen smelter, falder sandet og gruset sammen og efterlader et stort hul. Disse kugler kan danne store moser eller søer. Når den store ismasse smelter, dannes der floder under gletsjerne.
Søer med opløsning: Søer kan dannes, når underjordiske aflejringer af opløselige bjergarter opløses af vand, der løber gennem området, og der opstår en fordybning i jorden. Klippeformationer af natriumklorid (salt) eller kalciumkarbonat (kalksten) opløses mest sandsynligt af surt vand. Når grundvandet har opløst klipperne under overfladen, falder toppen af jorden sammen og danner normalt en rundformet sø, der kaldes en opløsningssø. Typisk er lavningerne dybe nok til at strække sig under grundvandsspejlet og er permanent fyldt med vand. Opløsningssøer er almindelige i Michigan, Indiana, Kentucky og især i Florida.
Oksbue-søer: Strømmen af vand fra floder har en stor energi og erosionskraft, der kan skabe søbassiner. Når en flod slynger sig hen over jordoverfladen, sker der en større erosion i den yderste flodbue, hvor vandstrømmen er hurtigst. Materialer, der bæres af floden, aflejres på den indre del af bøjningen, hvor strømmen er mindre. Efterhånden som tiden går, fortsætter erosionen, og flere materialer aflejres, indtil flodens U-formede slyngning lukker sig. Flodens hovedløb skærer en ny kanal til den indre ende af slyngningen. Oxbow-søer er normalt formet som bogstavet C.
Menneske- eller dyreskabte søer: Mange små søer i Nordamerika er blevet dannet af den amerikanske bæver. Pinde, vandplanter og mudder bruges til at bygge dæmninger på tværs af små vandløb for at danne et opdæmningsområde for vandet. Disse damme er normalt meget lavvandede og er rige på næringsstoffer og planteliv. Mennesker har bygget kunstige søer (reservoirer) for at forsyne offentligheden med drikkevand, for at levere elektricitet, for at lette sejladsen, for at kontrollere oversvømmelser og til rekreative formål. Disse reservoirer er normalt godt konstrueret af mennesker til at holde en vis mængde vand tilbage ved hjælp af dæmninger.
Vulkaniske søer: Undertiden danner katastrofale hændelser i forbindelse med vulkansk aktivitet søbassiner. Dannelsen af vulkanske søer kan ske på forskellige måder. Efterhånden som vulkansk materiale, herunder magma, udledes fra vulkanen, dannes der tomme fordybninger eller hulrum i vulkanen. Nogle af disse fordybninger kan ikke dræne og bliver til forseglede huller på toppen af vulkanen. Regn og afstrømning fylder til sidst fordybningen med vand, og der dannes en ny sø.
Søer, der dannes i vulkaners kratere, eller kratersøer, er mere almindelige i områder, der er udsat for vulkanisk aktivitet. Søer, der er dannet ved sammenstyrtning af et tag i et delvist tomt magmatisk kammer, kaldes calderaer. En af de mest spektakulære søer, der er dannet på denne måde, er Crater Lake i Oregon. Crater Lake er den syvende dybeste sø i verden med en maksimal dybde på 608 m (2006 ft). Vulkanske bassiner, som Crater Lake, er normalt meget runde i deres form. Lavastrømme fra vulkansk aktivitet kan også danne søer. Lavastrømmen på overfladen afkøles og bliver fast, mens den indvendige del af lavastrømmen forbliver varm nok til at fortsætte med at bevæge sig. Til sidst kollapser overfladen af den hærdede lava og danner en lavning. Disse lavninger fyldes til sidst med vand og danner mindre søer. Lavastrømme flyder også ind i eksisterende floddale og størkner til en dæmning. Denne faste klippemasse opdæmmer flodvandet til en ny sø.
Landskredssøer: Store mængder materialer, der falder fra siderne af stejle dale ned i bunden af ådale, kan forårsage dæmninger, der skaber nye søer. Sådanne jordskred opstår normalt som følge af unormale meteorologiske begivenheder, f.eks. overdreven regn, der virker på en ustabil skråning. Jordskredsdæmninger kan være et resultat af stenfald, mudderflod eller endog isskred. Søer, der er dannet af jordskred, er normalt kun midlertidige, fordi de kan være udsat for erosion af flodens eller vandløbets strømning. Hvis dæmningen er meget stor, kan søen blive permanent.
Tektoniske søer: Tektoniske bassiner er lavninger, der er dannet af bevægelser i jordskorpen dybt nede i undergrunden. De vigtigste typer af tektoniske bassiner er dannet af forkastninger. En depression dannes, når et svagt stykke af jordskorpen skilles, hvilket resulterer i et jordskælv. Regn- og grundvand kan samle sig i denne lavning og danne en sø. Denne type bassin kaldes en graben og er oprindelsesmåden for en lang række af de mest spektakulære relikviesøer i verden, der indeholder et stort antal hjemmehørende plante- og dyrearter. Den dybeste sø i verden, Bajkalsøen i Sibirien, blev dannet ved tektonisk aktivitet. I USA blev Lake Tahoe i Californien og Nevada dannet af tektonisk aktivitet.
Dannelsen af en sø og søbækkenets struktur og form, eller morfologi, har indflydelse på, hvordan søen fungerer i alle dens livsstadier. Karakteristika som søens længde, bredde, dybde, areal og volumen er alle vigtige for, hvordan søens vandkvalitet kan blive påvirket af ændringer i landområdet. Når mennesker udvikler jorden omkring søen, forstyrrer de jorden, skifter træer ud med indkørsler eller hustage og erstatter den naturlige vegetation. Disse ændringer resulterer i en øget afstrømning af overfladevand og en stigning i mængden af næringsstoffer til søen. Søens struktur dikterer, hvordan søen vil reagere på disse kulturelle ændringer i de omkringliggende områder. Kendskab til søens morfologi og til, hvordan søen blev dannet, er vigtige redskaber, som forskerne bruger til at hjælpe med at beskytte vores søer mod forurenende stoffer, der kan forringe deres sundhed.
Blanding og stratificering
Søernes termiske struktur er med til at bestemme produktivitet og næringsstofkredsløb. Søernes termiske struktur bestemmes af flere faktorer. Søer modtager langt størstedelen af deres varme ved overfladen fra solvarme. Da varmere vand flyder, skal vandsøjlen have et energitilskud for at blande denne varme dybere, og i de fleste søer leverer vinden denne energi.
En sø, der er fuldstændig beskyttet mod vinden, vil have et meget varmt, men lavt lag ved overfladen med koldt vand nedenunder. En sø, der er udsat for kraftig vind, vil have et køligere, men tykkere øverste lag, der ligger over det koldere vand. Dybere søer kan danne en struktur i tre lag, der hele sommeren består af et øvre varmt lag (epilimnion), et mellemste overgangslag (metalimnion, inden for hvilket punktet med den største vertikale temperaturændring kaldes termoklinen) og et koldere bundlag (hypolimnion).
En søs termiske struktur er ikke konstant hele året. Fra og med isen er ude i det tidlige forår (forudsat at din sø er tiliset), er hele søens vand, fra top til bund, tæt på samme temperatur; densitetsforskellen er lille, og vandet blandes let af forårsvindene. Med varmere dage øges forskellen mellem vandets overflade- og bundtemperatur, indtil der opstår lagdeling, hvis søens dybde er tilstrækkelig stor. Til sidst aftager solopvarmningen, når vi bevæger os ind i de køligere årstider, og det øverste lag begynder at afkøle og synke. Til sidst i efteråret har søen samme temperatur fra top til bund. Om vinteren dannes der is ved overfladen, og der opstår en ny, omvendt lagdeling (koldt over koldt vand), som varer ved indtil foråret. Graden af lagdeling er vigtig for kredsløbet af næringsstoffer, variationen i iltindholdet i dybere vand, bevægelsen af indgående vand gennem søen og typer af vandorganismer, der lever i søen.
Spuling
Den gennemsnitlige tid, der kræves for at forny en søs vandvolumen fuldstændigt (søens volumen divideret med udstrømningshastigheden), kaldes den hydrauliske opholdstid eller spuleringshastighed. Den hydrauliske opholdstid er en funktion af den vandmængde, der kommer ind i eller ud af søen, i forhold til søens volumen (dvs. vandbudgettet). Jo større søens volumen er, og jo mindre de hydrauliske ind- eller udførsler er, jo længere vil opholdstiden være.
Søens opholdstid kan variere fra nogle få timer eller dage til mange år. Lake Superior har f.eks. en opholdstid på 184 år. De fleste søer har dog typisk en opholdstid på dage til måneder.
Søens gennemstrømningshastighed bestemmer, hvordan den reagerer på mange input fra atmosfæren og dens afvandingsområde.
Trofisk klassifikation
Søens trofiske klassifikation, eller rangordning af graden af søens aldring, klassificeres ofte ved hjælp af en eller anden form for etableret klassificeringssystem, der tildeler point til en bestemt søkarakteristik (iltindhold, algebiomasse, plantemateriale, klarhed osv.). ). Dette pointsystem gør det muligt for en limnolog at tildele en bestemt værdi til hver af systemets kategorier. Forskellige limnologer anvender forskellige klassifikationssystemer, men kategorierne (oligotrof, mesotrof og eutrof) er de samme.
Hvis en sø besidder meget høje niveauer af opløst ilt, en høj gennemsigtighedsmåling, har sparsom vækst af karplanter og relativt lav planktonvækst, vil søen blive klassificeret som oligotrof eller en “ung” sø.
Søer med lavere niveauer af opløst ilt, lav gennemsigtighed, mange karplanter og høje niveauer af klorofyl-a (hvilket betyder store planktonbestande) får flere point og betegnes som “gamle” eller eutrofe.
En sø, der ligger mellem de to yderpunkter eutrofe og oligotrofe, betegnes som mesotrofe. Dette stadie af søens udvikling kan bedst betegnes som “midaldrende.”
Næringsstoffer
Søer kan lide under mange påvirkninger fra menneskets kulturelle udvikling, men det er de næringsstoffer, der ender i søen, der er drivkraften bag nogle af de kritiske problemer i søernes vandkvalitet.
Alle planter har brug for en passende balance mellem de vigtige hovednæringsstoffer, især fosfor, kvælstof og kulstof. De har også brug for lys. Under forudsætning af, at lyset er let tilgængeligt, optager planterne næringsstoffer i det forhold, som deres celler har brug for. Det næringsstof, der er mindst tilgængeligt i forhold til plantens behov, vil begrænse planternes vækst. Dette kaldes det begrænsende næringsstofkoncept. I nogle dele af landet er der vandområder, der er begrænset af kvælstof, mens de fleste vandområder er begrænset af fosfor. Sporstoffer kan undertiden være begrænsende, men i mindre grad.
Udarbejdelse af et næringsstofbudget (belastningsanalyse) giver indsigt i årsagerne til eutrofiering af søer. Næringsstofbudgetter afhænger af bestemmelsen af de mængder af et næringsstof, der tilvejebringes af kilder som f.eks. naturlig overfladeafstrømning, forurening fra andre kilder end punktforurening, utætte septiske anlæg, atmosfærisk deposition, grundvand og dyreliv. Næringsstofbudgetter bestemmer også den mængde næringsstoffer, der går tabt til søsystemet ved udstrømning og ved aflejring i sedimenterne. Kvantificering af næringsstofbelastningen kræver en vurdering af vandbudgettet og bestemmelse af koncentrationen af næringsstoffet i hver enkelt vandkilde. Mængden af næringsstoffer fra en biflod er således koncentrationen gange vandmængden pr. tidsenhed (flowet). Dette kaldes “belastningen” for det næringsstof og den kilde, der skal kvantificeres.
Næringsstofbudgetter bestemmes normalt på to primære måder: ved direkte måling eller ved skøn ud fra forskellige empiriske relationer, der er fastlagt i tidligere undersøgelser.
Biologi
Bakterier: Selv om de fleste mennesker aldrig ser dem, spiller bakterier en central rolle i søernes liv. De er den mest udbredte gruppe af organismer i en sø, og de fleste af dem er afgørende for omdannelsen af organisk materiale til uorganisk form.
Bakterier kan være frit svømmende i vandsøjlen, fastgjort til et substrat eller i sedimenterne. Mange er aerobe og har brug for ilt til omdannelse af organisk materiale til uorganiske former og energi. Mange andre er anaerobe og bruger andre kemiske veje til at skaffe energi.
Nogle bakterier skaber problemer for menneskers sundhed eller har vist sig at være nyttige indikatorer for den sandsynlige tilstedeværelse af trusler mod menneskers sundhed. Escherichia coli (E. coli) er normalt en uskadelig bakterie, der findes i vores tarme, men dens hyppighed i en sø indikerer spildevand, septisk tilførsel eller andre fækale forurenende stoffer og muligheden for overførsel af bakterielle og virale sygdomme til mennesker.
Alger: Alger er for det meste mikroskopiske planter, der kan være frit svømmende (fytoplankton) eller fastgjort til et substrat (perifyton). De kan være encellede eller have mange celler. I en moderat rig sø kan der være næsten hundrede algearter i en spiseskefuld søvand. I en eutrofieret sø kan der være millioner af celler i en liter vand. Alger inddeles i flere hovedgrupper, herunder grønalger (Chlorophyta), guldbrune alger (Chrysophyta), dinoflagellater (Pyrrophyta), kiselalger (Bacillariophyta) og blågrønalger (Cyanophyta).
Hver af de ovennævnte grupper har arter med egenskaber, der kan gøre dem meget talrige og besværlige. Nogle gange kan det at vide, hvilken art der er i “blomstring”, hjælpe med at forstå årsagen til blomstringen. For eksempel blomstrer visse blågrønalger ofte, når der er rigeligt fosfor og lavt nitratindhold, fordi de kan binde kvælstof fra den opløste luft. De foretrækker ofte en periode med roligt vand, fordi de flyder og derfor skygger for konkurrerende arter. Når disse betingelser er til stede, vil der normalt opstå blågrønne alger, men hvis et af elementerne mangler, kan balancen forskydes til fordel for en anden art eller en anden algegruppe. Kiselalger har en tendens til at foretrække perioder med høj opblanding, køligere temperaturer og større tilgængelighed af kiselalger – betingelser, der findes ved forårs- og efterårsskiftet. Mange dinoflagellater synes at foretrække forhold med organisk materiale over gennemsnittet.
Dynamikken i de termiske, lys- og næringsstofmæssige regimer i søer forårsager et ret forudsigeligt mønster i den sæsonbestemte succession af algearter, men der kan være overraskelser til enhver tid. Typisk begunstiger forårs- og efterårsskiftet dog diatomeerne, som kan blive meget talrige, men som normalt ikke har alvorlige konsekvenser for menneskers brug, selv om nogle arter forårsager smags- og lugtproblemer i drikkevandsreservoirer og kan tilstoppe filtre. Efter termisk stratificering bliver grønalger ofte dominerende det meste af sommeren, når der er kvælstof til rådighed, men de kan blive erstattet af blågrønalger ved højere temperaturer, lavere kvælstofkoncentrationer og høj pH.
Akvatiske makrofytter: I modsætning til alger, der normalt er mikroskopiske planter, er disse store vandplanter, der er let synlige for det blotte øje. Alger og makrofyter konkurrerer ofte om lyset, så det er usædvanligt at finde begge dele som problemer i en bestemt sø, selv om det sker. Makroplanter kan være rodfæstede eller frit svømmende, men de fleste er rodfæstede. De kan også være submergerende, emergerende eller flydeblade. Der findes mange taksonomiske grupper, men de ovennævnte kategorier er ofte de mest nyttige til at forstå årsagerne til et makrofytproblem og fastlægge en passende forvaltningsstrategi. Inden for hver kategori kan mange arter faktisk se meget ens ud, da deres vækstvaner reagerer på almindelige søforhold. Men selv om mange makrofytarter ser ens ud, varierer deres tilbøjelighed til at forårsage problemer i søer. Effektiv forvaltning af makrofyter kræver normalt identifikation på artsniveau.
Planter udgør levested og føde for mange former for dyreliv lige fra mikroskopiske rotifyer, der filtrerer bittesmå alger, til zooplankton, der jager større alger, til insekter, til fisk og vandlevende pattedyr, der spiser endnu større planter eller dyr. En ændring i en hvilken som helst del af dette fødekædevæv har en række subtile eller endog dramatiske virkninger på hele systemet.
Vandopland
Et vandopland kan bedst beskrives som en tragt. Den øverste kant af tragten er de geografiske træk (bakker, bjerge), der markerer grænsen for et afvandingsbassin. Indersiden af tragten, eller tragtens vægge, repræsenterer alt det land, der ligger inden for grænsen af bakker eller bjerge, og som afvander til søen. Søen ligger i bunden af tragten og modtager alt det vand, der strømmer fra disse bakketoppe, hen over jorden og ud i vandløbene.
Vandopland indeholder dit hus, din bil, dit arbejde, din golfbane, dit indkøbscenter og alle dets befæstede arealer, septiktankanlæg, bilvaskeanlæg, boldbaner, sandgrave og diverse andre former for arealanvendelse. Uanset hvor langt du er fra et overfladevand, uanset om du kan se søen eller floden eller ej, befinder du dig i et afvandingsområde.