Alhaalla on yleiskatsaus joihinkin limnologiaan ja järvien hoitoon liittyviin perustietoihin, jotka on tärkeää tietää järvien ymmärtämiseksi ja järvien hoidon kokonaiskuvan hahmottamiseksi. Yksityiskohtaisempaa tietoa saat NALMS:n kirjakaupasta, jossa on lukuisia julkaisuja yleisestä limnologiasta ja järviin liittyvistä aiheista.
Basin Types
Tuhansia vuosia sitten maapallon pinnalla tai sen alla tapahtuneet tapahtumat muodostivat monet järvistämme. Tämän seurauksena järvet ovat yleensä keskittyneet alueille, joilla on suuri määrä vesistöjä. Suurin osa järvistä sijaitsee pohjoisella pallonpuoliskolla, jossa suuret alueet olivat valtavien jäämuodostelmien peitossa. Ihmisen eliniän mittakaavassa järvet näyttävät olevan maisemamme pysyviä piirteitä, mutta todellisuudessa ne ovat vain geologisesti väliaikaisia. Ne syntyvät, kypsyvät (täyttyvät) ja lopulta häviävät.
Järvialtaiden synty ja niiden ominaisuudet heijastavat viime kädessä niitä ympäröivällä alueella tapahtuneita fysikaalisia, kemiallisia ja biologisia tapahtumia. Näillä tapahtumilla on tärkeä rooli siinä, miten järvi reagoi ympäröiviin toimintoihin.
Jääjärvet: Järvien muodostumisessa ylivoimaisesti tärkeimpiä tekijöitä ovat 10 000-12 000 vuotta sitten tapahtuneiden jäätiköiden liikkeiden katastrofaaliset vaikutukset. Jättimäiset jää- ja lumipeitteet syntyvät ilmastossa, jossa lunta sataa mutta ei sula. Jäätiköt peittivät Atlantin valtamerestä Kalliovuorille ulottuvan alueen yli kilometrin korkuisella jäällä. Vaikka nämä jäätiköt lopulta sulivat, kymmenen prosenttia maapallosta on tällä hetkellä jäätiköiden peitossa. Osa näistä jäätiköistä on yhä nähtävissä Yhdysvaltojen ja Kanadan vuoristoalueilla.
Kun jäätikkö liikkuu edestakaisin maata pitkin, raaputtaa kukkuloiden ja jyrkänteiden huiput pois ja vie mukanaan kiviä, syntyy järviä. Jäätikön ottama aines laskeutuu myöhemmin muihin paikkoihin. Jäätiköiden edestakainen ja pysähtyvä liike muuttaa maisemaa pysyvästi. Tämä liike luo useita tärkeitä pinnanmuotoja. Kun jäätikkö pysähtyy, se jättää jälkeensä aikojen kuluessa kuljettamiensa kivien ja materiaalien kasoja, joita kutsutaan moreeneiksi. Nämä patoavat jokia ja pienempiä puroja muodostaen järviä. Joskus valtavat jäälohkareet irtoavat ja peittyvät hiekan ja soran alle. Kun jää sulaa, hiekka ja sora sortuvat ja jättävät jälkeensä suuren reiän. Nämä kattilat voivat muodostaa suuria soita tai järviä. Kun suuri jäämassa sulaa, jäätiköiden alle muodostuu jokia.
Liuotusjärvet: Järviä voi muodostua, kun maanalaiset liukoisten kivien kerrostumat liukenevat alueen läpi virtaavan veden vaikutuksesta, jolloin maahan syntyy painauma. Natriumkloridista (suola) tai kalsiumkarbonaatista (kalkkikivi) koostuvat kivimuodostumat liukenevat todennäköisimmin happamien vesien vaikutuksesta. Kun pohjavesi on liuottanut pinnan alla olevat kivet, maanpinta sortuu ja muodostaa yleensä pyöreän muotoisen järven, jota kutsutaan liuosjärveksi. Tyypillisesti painanteet ovat riittävän syviä ulottumaan pohjavesipinnan alapuolelle ja täyttyvät pysyvästi vedellä. Liuosjärvet ovat yleisiä Michiganissa, Indianassa, Kentuckyssa ja erityisesti Floridassa.
Oxbow Lakes: Jokien vesivirtauksessa on paljon energiaa ja eroosiovoimaa, joka voi synnyttää järvialtaita. Kun joki kiemurtelee maan pinnalla, eroosiota tapahtuu enemmän joen uloimmassa mutkassa, jossa veden virtaus on nopeinta. Joen kuljettamat ainekset laskeutuvat mutkan sisäosaan, jossa virtaukset ovat vähäisempiä. Ajan kuluessa eroosio jatkuu ja lisää aineksia jää pois, kunnes joen U-muotoinen mutka sulkeutuu. Joen pääuoma leikkaa uuden väylän meanderin sisäpäähän. Härkäkaarijärvet ovat yleensä C-kirjaimen muotoisia.
Miehen tai eläimen tekemät järvet: Monet Pohjois-Amerikan pienet järvet ovat syntyneet amerikkalaisen majavan toiminnan tuloksena. Keppejä, vesikasveja ja mutaa käytetään patojen rakentamiseen pienten purojen poikki veden patoamiseksi. Nämä lammet ovat yleensä hyvin matalia ja niissä on runsaasti ravinteita ja kasveja. Ihmiset ovat rakentaneet keinotekoisia järviä (tekoaltaita) toimittaakseen juomavettä yleisölle, tuottaakseen sähköä, auttaakseen merenkulkua, suojellakseen tulvia ja virkistystarkoituksiin. Ihmiset ovat yleensä suunnitelleet nämä tekoaltaat niin, että ne pystyvät patojen avulla pidättämään tietyn vesimäärän.
Vulkaniset järvet: Joskus vulkaaniseen toimintaan liittyvät tuhoisat tapahtumat muodostavat järvialtaita. Tuliperäisten järvien muodostuminen voi tapahtua eri tavoin. Kun vulkaaninen aines, mukaan lukien magma, purkautuu ulos tulivuoresta, muodostuu tulivuoren sisälle tyhjiä syvennyksiä tai onkaloita. Jotkin näistä syvennyksistä eivät pääse valumaan, ja niistä muodostuu sulkeutuneita reikiä tulivuoren päällä. Sateet ja valumat täyttävät lopulta syvennyksen vedellä, ja uusi järvi muodostuu.
Tulivuorten kraattereihin muodostuvat järvet eli kraatterijärvet ovat yleisempiä alueilla, joilla on vulkaanista toimintaa. Järviä, jotka ovat syntyneet osittain tyhjän magmakammion katon sortuessa, kutsutaan kalderoiksi. Yksi näyttävimmistä tällä tavoin muodostuneista järvistä on Crater Lake Oregonissa. Crater Lake on maailman seitsemänneksi syvin järvi, jonka suurin syvyys on 608 metriä. Tuliperäiset altaat, kuten Crater Lake, ovat yleensä muodoltaan hyvin pyöreitä. Myös vulkaanisen toiminnan laavavirrat voivat muodostaa järviä. Pintalaava jäähtyy ja muuttuu kiinteäksi, kun taas laavavirran sisäpuoli pysyy riittävän kuumana jatkaakseen liikkumistaan. Lopulta jähmettyneen laavan pinta luhistuu muodostaen painauman. Nämä painaumat täyttyvät lopulta vedellä ja muodostavat pienempiä järviä. Laavavirrat virtaavat myös olemassa oleviin jokilaaksoihin ja jähmettyvät padoksi. Tämä kiinteä kivimassa tukkii jokiveden uuteen järveen.
Laavajärvet: Suuret määrät jyrkkien laaksojen reunoilta purolaaksojen pohjiin putoavia aineksia voivat aiheuttaa patoja, jotka luovat uusia järviä. Tällaiset maanvyörymät syntyvät yleensä epänormaalien sääilmiöiden, kuten epävakaaseen rinteeseen vaikuttavien runsaiden sateiden seurauksena. Maanvyörymäpadot voivat olla seurausta kivisateista, mutavyöryistä tai jopa jäävyöryistä. Maanvyöryjen muodostamat järvet ovat yleensä vain tilapäisiä, koska joen tai puron virtaus voi eroosioittaa niitä. Jos pato on hyvin suuri, järvestä voi tulla pysyvä.
Tektoniset järvet: Tektoniset altaat ovat syvennyksiä, jotka ovat syntyneet maankuoren liikkeistä syvällä maan alla. Tärkeimmät tektonisten altaiden tyypit muodostuvat ruhjeista. Painauma muodostuu, kun maankuoren heikko osa erkanee, mikä aiheuttaa maanjäristyksen. Sateet ja pohjavesi voivat kerääntyä tähän syvennykseen ja muodostaa järven. Tällaisesta altaasta käytetään nimitystä graben, ja siitä on peräisin suuri määrä maailman näyttävimpiä reliktijärviä, joissa on valtava määrä alkuperäisiä kasvi- ja eläinlajeja. Maailman syvin järvi, Siperiassa sijaitseva Baikaljärvi, on syntynyt tektonisen toiminnan seurauksena. Yhdysvalloissa Kaliforniassa ja Nevadassa sijaitseva Tahoe-järvi Kaliforniassa ja Nevadassa muodostui tektonisen toiminnan seurauksena.
Järven muodostuminen ja järvialtaan rakenne ja muoto eli morfologia vaikuttavat siihen, miten järvi toimii koko elinkaarensa ajan. Ominaisuudet, kuten järven pituus, leveys, syvyys, pinta-ala ja tilavuus, ovat kaikki tärkeitä sen kannalta, miten järven veden laatuun voivat vaikuttaa muutokset maastossa. Kun ihmiset kehittävät järveä ympäröivää maata, he häiritsevät maaperää, vaihtavat puita ajoteihin tai kattoihin ja korvaavat luonnollisen kasvillisuuden. Nämä muutokset johtavat pintavalunnan lisääntymiseen ja järveen tulevien ravinteiden määrän kasvuun. Järven rakenne määrää, miten järvi reagoi näihin ympäröivien maiden kulttuurimuutoksiin. Järven morfologian tunteminen ja se, miten järvi on muodostunut, ovat tärkeitä työkaluja, joita tutkijat käyttävät auttaakseen suojelemaan järviämme epäpuhtauksilta, jotka voivat heikentää niiden terveyttä.
Sekoittuminen ja kerrostuneisuus
Järvien lämpörakenne auttaa määrittelemään tuottavuutta ja ravinteiden kiertoa. Järvien lämpörakenne määräytyy useiden tekijöiden perusteella. Järvet saavat suurimman osan pintalämmöstään auringon lämmöstä. Koska lämpimämpi vesi kelluu, vesipatsaaseen on tuotava energiaa, jotta lämpö saadaan sekoitettua syvemmälle, ja useimmissa järvissä tuuli tuottaa tätä energiaa.
Tuulelta täysin suojassa olevassa järvessä on hyvin lämmin mutta matala pintakerros ja sen alapuolella kylmää vettä. Voimakkaille tuulille alttiissa järvessä on kylmemmän veden päällä viileämpi mutta paksumpi pintakerros. Syvemmät järvet voivat muodostaa kolmikerroksisen rakenteen, joka koostuu koko kesän ajan ylemmästä lämpimästä kerroksesta (epilimnion), keskimmäisestä siirtymäkerroksesta (metalimnion, jonka sisällä suurimman pystysuuntaisen lämpötilamuutoksen kohtaa kutsutaan termokliiniksi) ja kylmemmästä pohjakerroksesta (hypolimnion).
Järven lämpörakenne ei ole vakio läpi vuoden. Alkukevään jäidenlähdöstä alkaen (edellyttäen, että järvesi jäätyy) koko järven vesi ylhäältä alaspäin on lähes samassa lämpötilassa; tiheysero on vähäinen, ja kevättuulet sekoittavat vettä helposti. Lämpimämpien päivien myötä pinta- ja pohjaveden lämpötilojen välinen ero kasvaa, kunnes tapahtuu kerrostumista, jos järven syvyys on riittävä. Lopulta auringon lämmittäminen vähenee viileämpiin vuodenaikoihin siirryttäessä, ja ylempi kerros alkaa jäähtyä ja vajota. Lopulta syksyllä järven lämpötila on ylhäältä alaspäin samanlainen. Talvella pintaan muodostuu jäätä, ja uusi, käänteinen kerrostuneisuus (kylmää vettä viileän veden päällä) syntyy ja säilyy kevääseen asti. Kerrostuneisuuden aste on tärkeä ravinteiden kiertokulun, syvempien vesien hapen vaihtelun, tulevan veden liikkumisen järven läpi ja järvessä elävien vesieliöiden tyyppien kannalta.
Huuhtoutuminen
Järven vesitilavuuden täydelliseen uusiutumiseen tarvittavaa keskimääräistä aikaa (järven tilavuus jaettuna ulosvirtaamalla) kutsutaan hydrauliseksi viipymäajaksi tai huuhtoutumisnopeudeksi. Hydraulinen viipymäaika riippuu järveen tulevan tai sieltä lähtevän veden määrästä suhteessa järven tilavuuteen (eli vesitalouteen). Mitä suurempi järven tilavuus on ja mitä pienemmät ovat hydrauliset tulot tai poistot, sitä pidempi on viipymäaika.
Järven viipymäaika voi vaihdella muutamasta tunnista tai päivästä moniin vuosiin. Esimerkiksi Superior-järven viipymäaika on 184 vuotta. Useimmilla järvillä viipymäaika on kuitenkin tyypillisesti päivistä kuukausiin.
Järven huuhtoutumisnopeus määrää, miten se reagoi moniin ilmakehästä ja valuma-alueelta tuleviin syötteisiin.
Trofinen luokitus
Järvien trofinen luokitus eli järven ikääntymisasteen luokittelu tapahtuu usein jonkinlaisen vakiintuneen luokitusjärjestelmän avulla, jossa järven tietyille ominaispiirteille (happipitoisuus, leväbiomassat, kasvimateriaali, kirkkaus jne.) annetaan pisteitä. Tämän pistejärjestelmän avulla limnologi voi antaa kullekin järjestelmäluokalle tietyn arvon. Eri limnologit käyttävät erilaisia luokitusjärjestelmiä, mutta luokat (oligotrofinen, mesotrofinen ja eutrofinen) ovat samat.
Jos järvellä on hyvin korkea liuenneen hapen määrä, korkea läpinäkyvyyslukema, harva verisuonikasvillisuus ja suhteellisen vähäinen planktonikasvillisuus, järvi luokiteltaisiin oligotrofiseksi eli ”nuoreksi” järveksi.
Järvet, joissa liuenneen hapen määrä on alhaisempi, läpinäkyvyyslukema on matala, vesikasveja on runsaasti ja klorofylli-a:n määrä on korkea (mikä merkitsee suurta planktonpopulaatiota), saavat enemmän pisteitä, ja niitä kutsutaan ”ikääntyneiksi” tai eutrofisiksi järviksi.
Järveä, joka sijoittuu eutrofisen ja oligotrofisen järvityypin ääripäiden väliin, kutsutaan mesotrofiseksi. Tätä järven kehitysvaihetta voidaan parhaiten kutsua ”keski-ikäiseksi”.
Ravinteet
Järvet voivat kärsiä monista ihmisen kulttuurisen kehityksen vaikutuksista, mutta järveen päätyvät ravinteet aiheuttavat joitakin järvien vedenlaadun kriittisiä ongelmia.
Kaikki kasvit tarvitsevat sopivan tasapainon välttämättömistä tärkeimmistä pääravinteista, erityisesti fosforista, typestä ja hiilestä. Ne tarvitsevat myös valoa. Olettaen, että valoa on helposti saatavilla, kasvit ottavat ravinteita siinä suhteessa kuin niiden solut tarvitsevat. Se ravinne, jota on vähiten saatavilla suhteessa kasvin tarpeeseen, rajoittaa kasvien kasvua. Tätä kutsutaan rajoittavan ravinteen käsitteeksi. Joissakin osissa maata on vesistöjä, joissa typpi rajoittaa ravinnepitoisuutta, kun taas useimmissa vesistöissä fosfori rajoittaa ravinnepitoisuutta. Hivenaineet voivat joskus olla rajoittavia, mutta vähäisemmässä määrin.
Ravinneainebudjetin (kuormitusanalyysin) kehittäminen antaa tietoa järvien rehevöitymisen syistä. Ravinnetalousarviot riippuvat niiden ravinteiden määrien määrittämisestä, joita saadaan esimerkiksi luonnollisista pintavalumavesistä, muista kuin pistekuormituslähteistä, vuotavista saostuskaivoista, ilmakehän laskeumasta, pohjavedestä ja luonnonvaraisista eläimistä. Ravinnetaloudessa määritetään myös niiden ravinteiden määrä, jotka menetetään järvijärjestelmään ulosvirtauksen ja sedimenttiin laskeutumisen kautta. Ravinnekuormituksen kvantifiointi edellyttää vesitalouden arviointia ja ravinnepitoisuuksien määrittämistä kussakin vesilähteessä. Siten sivuvirran antaman ravinteen määrä on pitoisuus kertaa vesitilavuus aikayksikköä kohti (virtaama). Tätä kutsutaan määrällisesti määritettävän ravinteen ja lähteen ”kuormitukseksi”.
Ravinnepitoisuudet määritetään yleensä kahdella ensisijaisella tavalla: suoralla mittauksella tai arvioimalla aiemmissa tutkimuksissa määritettyjen erilaisten empiiristen suhteiden perusteella.
Biologia
Bakteerit: Vaikka useimmat ihmiset eivät koskaan näe bakteereja, niillä on keskeinen rooli järvien elämässä. Ne ovat järven runsain eliöryhmä, ja useimmat niistä ovat ratkaisevassa asemassa kaiken orgaanisen aineksen muuntamisessa epäorgaaniseen muotoon.
Bakteerit voivat kellua vapaasti vesipatsaassa, olla kiinnittyneinä alustaan tai sedimenttiin. Monet niistä ovat aerobisia, ja ne tarvitsevat happea orgaanisen aineksen muuntamiseen epäorgaaniseen muotoon ja energiaan. Monet muut ovat anaerobisia ja käyttävät muita kemiallisia reittejä energian saamiseksi.
Jotkut bakteerit aiheuttavat terveysongelmia tai ovat osoittautuneet hyödyllisiksi indikaattoreiksi, jotka kertovat ihmisten terveyteen kohdistuvien uhkien todennäköisestä esiintymisestä. Escherichia coli (E. coli) on tavallisesti harmiton bakteeri, jota esiintyy suolistossamme, mutta sen runsaus järvessä viittaa jätevesiin, septisiin syötteisiin tai muihin ulosteperäisiin epäpuhtauksiin ja ihmisten bakteeri- ja virustautien mahdolliseen siirtymiseen.
Levät: Levät ovat useimmiten mikroskooppisia kasveja, jotka voivat olla vapaasti kelluvia (kasviplankton) tai kiinnittyneitä alustaan (perifyton). Ne voivat olla yksisoluisia tai monisoluisia. Kohtalaisen rehevässä järvessä voi olla lähes sata levälajia ruokalusikallisessa järvivettä. Rehevöityneessä järvessä voi olla miljoonia soluja gallonassa vettä. Levät jaetaan useisiin pääryhmiin, joita ovat viherlevät (Chlorophyta), kullanruskeat levät (Chrysophyta), dinoflagellaatit (Pyrrophyta), diatoms (Bacillariophyta) ja sinilevät (Cyanophyta).
Kussakin edellä mainitussa ryhmässä on lajeja, joilla on sellaisia ominaisuuksia, joiden ansiosta niistä voi tulla hyvin runsaslukuisia ja hankalia. Joskus sen tietäminen, mikä laji on ”kukassa”, voi auttaa ymmärtämään kukinnan syyn. Esimerkiksi tietyt sinilevät kukkivat usein, kun fosforia on runsaasti ja nitraattia vähän, koska ne voivat sitoa typpeä liuenneesta ilmasta. Ne suosivat usein tyyntä vettä, koska ne kelluvat ja siten varjostavat kilpailevia lajeja. Näiden olosuhteiden yhteisvaikutuksesta syntyy yleensä sinilevää, mutta yhden elementin puuttuminen voi siirtää tasapainoa toiselle lajille tai toiselle leväryhmälle. Diaatomit suosivat yleensä aikoja, jolloin veden sekoittuminen on voimakasta, lämpötila viileämpää ja piidioksidin saatavuus korkeampi – olosuhteet, jotka vallitsevat kevään ja syksyn vaihtuessa. Monet dinoflagellaatit näyttävät suosivan olosuhteita, joissa on keskimääräistä enemmän orgaanista ainesta.
Lämpö-, valo- ja ravinnejärjestelmien dynamiikka järvissä aiheuttaa melko ennustettavan kaavan levälajien kausittaisessa sukkessiossa, mutta yllätyksiä voi tulla milloin tahansa. Tyypillisesti kevään ja syksyn vaihtelu suosii kuitenkin diatomeja, jotka voivat runsastua, mutta eivät yleensä aiheuta vakavia vaikutuksia ihmisten käyttöön, vaikka jotkin lajit aiheuttavat maku- ja hajuhaittoja juomavesisäiliöissä ja voivat tukkia suodattimia. Lämpökerrostumisen jälkeen viherlevistä tulee usein hallitsevia suurimman osan kesästä, kun typpeä on saatavilla, mutta ne voivat korvautua sinilevillä korkeammissa lämpötiloissa, alhaisemmissa typpipitoisuuksissa ja korkeassa pH:ssa.
Aquatic Macrophytes: Toisin kuin levät, jotka ovat yleensä mikroskooppisen pieniä kasveja, nämä ovat suuria vesikasveja, jotka näkyvät helposti paljain silmin. Levät ja makrofyytit kilpailevat usein valosta, joten on epätavallista, että kumpikin on ongelma jossakin tietyssä järvessä, vaikka sitäkin tapahtuu. Makrofyytit voivat olla juurtuneita tai vapaasti kelluvia, mutta useimmat ovat juurtuneita. Ne voivat olla myös vedenalaisia, nousevia tai kelluslehtisiä. Taksonomisia ryhmiä on monia, mutta edellä mainitut luokat ovat usein hyödyllisimpiä makrofyyttiongelman syiden ymmärtämiseksi ja asianmukaisen hoitostrategian määrittämiseksi. Itse asiassa kussakin luokassa monet lajit voivat näyttää hyvin samankaltaisilta, koska niiden kasvutapa vastaa yleisiä järviolosuhteita. Vaikka monet makrofyyttilajit näyttävät samankaltaisilta, niiden taipumus aiheuttaa ongelmia järvissä vaihtelee. Makrofyyttien tehokas hoito edellyttää yleensä lajitason tunnistamista.
Kasvit tarjoavat elinympäristön ja ravintoa monille eläinlajeille mikroskooppisen pienistä leviä suodattavista matelijoista suurempia leviä metsästävään eläinplanktoniin, hyönteisiin, kaloihin ja vesinisäkkäisiin, jotka syövät suurempia kasveja tai eläimiä. Muutos missä tahansa tämän ravintoverkon osassa vaikuttaa koko järjestelmään hienovaraisesti tai jopa dramaattisesti.
Vedenjakaja
Vedenjakaja voidaan parhaiten kuvata suppilona. Suppilon yläreuna on maantieteelliset piirteet (kukkulat, vuoret), jotka merkitsevät valuma-alueen rajaa. Suppilon sisäpuoli eli suppilon seinämät edustavat kaikkea sitä maata, joka on kukkuloiden tai vuorten rajojen sisäpuolella ja joka valuu järveen. Järvi on suppilon pohjalla, ja se vastaanottaa kaiken veden, joka virtaa noilta kukkuloiden huipuilta, maan poikki ja puroihin.
Veden valuma-alueeseen kuuluvat talosi, autosi, työpaikkasi, golfkenttäsi, ostoskeskuksesi ja kaikki sen päällystetyt alueet, septiset järjestelmät, autopesulat, pallokentät, hiekkakuopat ja erilaiset muut maankäyttömuodot. Riippumatta siitä, kuinka kaukana olet pintavedestä, näetkö järven tai joen vai et, olet valuma-alueella.
Mitä tahansa.