Az alábbiakban áttekintjük a limnológiával és a tógazdálkodással kapcsolatos néhány elemi információt, amelyeket fontos tudni a tavak megértéséhez és a tógazdálkodás átfogó képéhez. Részletesebb információkért kérjük, látogasson el a NALMS könyvesboltjába, ahol számos kiadványt talál az általános limnológiával és a tavakkal kapcsolatos témákban.
A medencetípusok
A földfelszínen vagy a föld alatt évezredekkel ezelőtt bekövetkezett események alakították ki számos tavunkat. Ennek eredményeként a tavak általában olyan területekre koncentrálódnak, ahol nagyszámú víztest található. A legtöbb tó az északi féltekén található, ahol nagy területeket hatalmas jégképződmények borítottak. Az emberi élettartam léptékében a tavak tájunk állandó jellegzetességeinek tűnnek, de valójában csak geológiailag ideiglenesek. Létrejönnek, beérnek (kitöltődnek) és végül eltűnnek.
A tómedencék eredete és jellemzőik végső soron az őket körülvevő területen zajló fizikai, kémiai és biológiai eseményeket tükrözik. Ezek az események fontos szerepet játszanak abban, hogy a tó hogyan reagál a környező tevékenységekre.
Glaciális tavak: A tavak kialakulásának messze legfontosabb tényezői a 10 000-12 000 évvel ezelőtt bekövetkezett gleccserjégmozgások katasztrofális hatásai. Gigantikus jég- és hótakarók jönnek létre olyan éghajlaton, ahol hó esik, de nem olvad el. A gleccserek az Atlanti-óceántól a Sziklás-hegységig terjedő területet borítottak be több mint egy mérföld magas jéggel. Bár ezek a gleccserek végül elolvadtak, a Föld tíz százalékát jelenleg is gleccserek borítják. E gleccserek némelyike még mindig látható az Egyesült Államok és Kanada hegyvidéki területein.
Amint a gleccser oda-vissza mozog a szárazföldön, lekaparja a hegyek és sziklák tetejét, és magával ragadja a köveket, tavak keletkeznek. A gleccser által felvett anyagot később más helyeken ledobja. A gleccserek ide-oda mozgása és megállás nélküli mozgása tartósan megváltoztatja a tájat. Ez a mozgás számos fontos domborzati formát hoz létre. Amikor a gleccser megáll, hátrahagyja a sziklák és anyagok halmait, amelyeket idővel magával vitt, ezeket nevezzük morénáknak. Ezek feltorlaszolják a folyókat és kisebb patakokat, és tavakat képeznek. Néha hatalmas jégtömbök törnek le, amelyeket homok és kavics borít. Amikor a jég elolvad, a homok és a kavics beomlik, és egy nagy lyukat hagy maga után. Ezek a katlanok nagy mocsarakat vagy tavakat képezhetnek. Ahogy a nagy jégtömeg elolvad, a gleccserek alatt folyók alakulnak ki.
Levegőtavak: A tavak akkor alakulhatnak ki, amikor az oldható kőzetek földalatti lerakódásait a területen átfolyó víz feloldja, és így mélyedés keletkezik a talajban. A nátrium-kloridból (só) vagy kalcium-karbonátból (mészkő) álló kőzetképződményeket leginkább savas vizek oldják fel. Miután a talajvíz feloldotta a felszín alatti kőzeteket, a talaj teteje beomlik, és általában egy kör alakú tó, az úgynevezett oldott tó keletkezik. A mélyedések általában elég mélyek ahhoz, hogy a talajvízszint alá nyúljanak, és állandóan vízzel töltődnek fel. Az oldott tavak gyakoriak Michiganben, Indianában, Kentuckyban és különösen Floridában.
Oxbow Lakes: A folyók vizének áramlása nagy energiával és eróziós erővel rendelkezik, ami tómedencéket hozhat létre. Ahogy egy folyó végigkanyarog a földfelszínen, a folyó külső kanyarulatában, ahol a víz áramlása a leggyorsabb, nagyobb mértékű erózió keletkezik. A folyó által szállított anyagok a kanyar belső részén rakódnak le, ahol az áramlás kisebb. Az idő múlásával az erózió folytatódik, és egyre több anyag marad le, amíg a folyó U alakú kanyarulata bezárul. A folyó főfolyása új csatornát vág a kanyarulat belső végéhez. Az ököríves tavak általában C betű alakúak.
Az ember vagy állat alkotta tavak: Észak-Amerikában sok kis tavat az amerikai hód tevékenysége alakított ki. Pálcákkal, vízinövényekkel és iszappal gátakat építenek a kis patakok fölé, hogy a vizet felduzzasszák. Ezek a tavak általában nagyon sekélyek, tápanyagokban és növényvilágban gazdagok. Az emberek mesterséges tavakat (víztározókat) építettek a lakosság ivóvízzel való ellátása, energiaellátás, a hajózás segítése, árvízvédelem és rekreációs célokra. Ezeket a víztározókat az emberek általában jól megtervezték, hogy gátak segítségével visszatartsanak egy bizonyos vízmennyiséget.
Vulkanikus tavak: Néha a vulkanikus tevékenységgel kapcsolatos katasztrofális események tómedencéket alakítanak ki. A vulkanikus tavak kialakulása különböző módon történhet. Ahogy a vulkáni anyag, beleértve a magmát is, kiáramlik a vulkánból, üres mélyedések vagy üregek keletkeznek a vulkánon belül. E mélyedések némelyike nem tud lefolyni, és a vulkán tetején lezárt lyukakká alakulnak. Az esőzés és a lefolyás végül megtölti a mélyedést vízzel, és egy új tó jön létre.
A vulkánok krátereiben kialakuló tavak, vagyis a krátertavak gyakoribbak a vulkáni tevékenységnek kitett területeken. A részben üres magmás kamra tetejének beomlásával kialakult tavakat kalderáknak nevezzük. Az egyik leglátványosabb ilyen módon kialakult tó az oregoni Crater Lake. A Crater-tó a világ hetedik legmélyebb tava, a legnagyobb mélysége 608 m (2006 láb). A vulkáni medencék, mint a Crater-tó, általában nagyon kerek alakúak. A vulkáni tevékenységből származó lávafolyások is képezhetnek tavakat. A felszíni láva lehűl és megszilárdul, míg a lávafolyam belseje elég forró marad ahhoz, hogy tovább mozogjon. Végül a megkeményedett láva felszíne összeomlik, és mélyedést képez. Ezek a mélyedések végül megtelnek vízzel, és kisebb tavakat képeznek. A lávafolyamok a meglévő folyóvölgyekbe is befolynak, és gáttá szilárdulnak. Ez a szilárd sziklatömeg a folyó vizét egy új tóba torlaszolja vissza.
Tájcsuszamlásos tavak: A meredek völgyek oldaláról a patakvölgyek aljába hulló nagy mennyiségű anyag olyan gátakat okozhat, amelyek új tavakat hoznak létre. Az ilyen földcsuszamlások általában rendellenes meteorológiai események, például az instabil lejtőre ható túlzott esőzések következtében következnek be. A földcsuszamlásos gátak lehetnek kőomlások, iszapömlések vagy akár jégcsuszamlások következményei. A földcsuszamlások által kialakult tavak általában csak ideiglenesek, mivel a folyó vagy patak folyása által okozott eróziónak kitehetők. Ha a gát nagyon nagy, a tó állandóvá válhat.
Tektonikus tavak: A tektonikus medencék a földkéreg mozgásai által mélyen a föld alatt kialakult mélyedések. A tektonikus medencék főbb típusai törésekből alakulnak ki. Egy mélyedés akkor alakul ki, amikor a földkéreg egy gyenge szakasza szétválik, ami földrengést eredményez. Az eső és a talajvíz összegyűlhet ebben a mélyedésben, és egy tavat képezhet. Az ilyen típusú medencét grabennek nevezik, és a világ számos leglátványosabb, őshonos növény- és állatfajokat tartalmazó reliktumtavának keletkezési módja. A világ legmélyebb tava, a szibériai Bajkál-tó tektonikus tevékenységből alakult ki. Az Egyesült Államokban a Kaliforniában és Nevadában található Tahoe-tó tektonikus tevékenységből alakult ki.
A tó kialakulása és a tómedence szerkezete és formája, vagyis morfológiája befolyásolja a tó működését az életszakaszai során. Az olyan jellemzők, mint a tó hossza, szélessége, mélysége, területe és térfogata mind fontosak ahhoz, hogy a tó vízminőségét hogyan befolyásolhatják a szárazföldi változások. Ahogy az emberek fejlesztik a tavat körülvevő földterületet, megbolygatják a talajt, a fákat felhajtókra vagy háztetőkre cserélik, és felváltják a természetes növényzetet. Ezek a változások a felszíni lefolyás megnövekedését és a tóba jutó tápanyagok mennyiségének növekedését eredményezik. A tó szerkezete határozza meg, hogy a tó hogyan reagál a környező területek e kulturális változásaira. A tó morfológiájának és a tó kialakulásának ismerete fontos eszköze a tudósoknak, hogy segítsenek megvédeni tavainkat a szennyező anyagoktól, amelyek ronthatják egészségüket.
Keveredés és rétegződés
A tavak termikus szerkezete segít meghatározni a termelékenységet és a tápanyagkörforgást. A tavak hőszerkezetét több tényező határozza meg. A tavak hőjük túlnyomó többségét a felszínen a napfűtésből nyerik. Mivel a melegebb víz lebeg, a vízoszlopnak energiával kell rendelkeznie ahhoz, hogy ezt a hőt mélyebbre keverje, és a legtöbb tóban ezt az energiát a szél biztosítja.
A szél elől teljesen védett tó felszíne nagyon meleg, de sekély réteggel rendelkezik, alatta pedig hideg víz található. Egy erős szélnek kitett tónak hűvösebb, de vastagabb felső rétege lesz a hidegebb víz fölött. A mélyebb tavak háromrétegű szerkezetet alkothatnak, amely a nyár folyamán egy felső meleg rétegből (epilimnion), egy középső átmeneti rétegből (metalimnion, amelyen belül a hőmérséklet legnagyobb függőleges változásának pontját termoklinak nevezik) és egy hidegebb alsó rétegből (hipolimnion) áll.
A tó hőszerkezete nem állandó az év folyamán. A kora tavaszi jegesedéstől kezdve (feltéve, hogy a tó jegesedik) a tó teljes vize, fentről lefelé közel azonos hőmérsékletű; a sűrűségkülönbség csekély, és a tavaszi szelek könnyen keverik a vizet. A melegebb napokkal a felszíni és az alsó vízhőmérséklet közötti különbség növekszik, amíg a tó megfelelő mélysége esetén rétegződés nem következik be. Végül a napfűtés a hűvösebb évszakok felé haladva csökken, és a felső réteg hűlni és süllyedni kezd. Végül ősszel a tó hőmérséklete felülről és alulról hasonló lesz. Télen jég képződik a felszínen, és egy új, fordított rétegződés (hideg a hideg víz felett) jön létre, amely tavaszig fennmarad. A rétegződés mértéke fontos a tápanyagok körforgása, a mélyebb vizek oxigénszintjének változékonysága, a tóba érkező víz mozgása és a tóban élő vízi élőlények típusai szempontjából.
Öblítés
A tó vízmennyiségének teljes megújulásához szükséges átlagos időt (a tó térfogata osztva a kiáramlási sebességgel) hidraulikus tartózkodási időnek vagy kiöblítési sebességnek nevezzük. A hidraulikai tartózkodási idő a tóba belépő vagy onnan távozó vízmennyiség függvénye a tó térfogatához viszonyítva (azaz a vízháztartás). Minél nagyobb a tó térfogata és minél kisebb a hidraulikai be- vagy kilépő vízmennyiség, annál hosszabb lesz a tartózkodási idő.
A tó tartózkodási ideje néhány órától vagy naptól több évig terjedhet. A Superior-tó tartózkodási ideje például 184 év. A legtöbb tó tartózkodási ideje azonban jellemzően napoktól hónapokig terjed.
A tó kiöblítési sebessége határozza meg, hogyan reagál a légkörből és a vízgyűjtő területéről érkező számos beáramlásra.
Trofikus osztályozás
A tavak trofikus osztályozását, vagyis a tó öregedési fokának rangsorolását gyakran valamilyen kialakított minősítési rendszer segítségével végzik, amely pontokat rendel bizonyos tójellemzőkhöz (oxigéntartalom, algabiomassza, növényi anyag, tisztaság stb.). Ez a pontrendszer lehetővé teszi a limnológus számára, hogy a rendszerek egyes kategóriáihoz egy bizonyos értéket rendeljen. A különböző limnológusok különböző osztályozási rendszereket használnak, de a kategóriák (oligotróf, mezotróf és eutróf) azonosak.
Ha egy tó nagyon magas oldott oxigénszinttel, magas átlátszósági értékkel rendelkezik, gyér az érnövényzet és viszonylag alacsony a planktonszaporulat, akkor a tavat oligotrófnak vagy “fiatal” tónak minősítik.
Az alacsonyabb oldott oxigénszinttel, sekély átlátszósági értékkel, bőséges vízi növényzettel és magas klorofill-a-szinttel (ami magas planktonpopulációt jelez) rendelkező tavak több pontot kapnak, és “idősnek” vagy eutrófnak nevezik őket.
Az eutróf és oligotróf két szélsőérték közé eső tavat mezotrófnak nevezik. A tó fejlődésének ezt a szakaszát leginkább “középkorúnak” nevezhetjük.”
Tápanyagok
A tavak az emberi kulturális fejlődés számos hatásától szenvedhetnek, de a tóba kerülő tápanyagok azok, amelyek a tó vízminőségének néhány kritikus problémáját okozzák.
Minden növénynek szüksége van az alapvető fő tápanyagok, különösen a foszfor, a nitrogén és a szén megfelelő egyensúlyára. Fényre is szükségük van. Feltételezve, hogy a fény könnyen elérhető, a növények a sejtjeiknek megfelelő arányban veszik fel a tápanyagokat. Az a tápanyag, amelyik a növény szükségletéhez képest a legkevésbé van jelen, korlátozza a növények növekedését. Ezt nevezzük a limitáló tápanyag fogalmának. Az ország egyes részein a nitrogén, míg a legtöbb víztestben a foszfor korlátozza a tápanyagbevitelt. A nyomelemek néha limitáló hatásúak lehetnek, de kisebb mértékben.
A tápanyagköltségvetés (terheléselemzés) kidolgozása betekintést nyújt a tavak eutrofizációjának okaiba. A tápanyagköltségvetés azon tápanyagmennyiségek meghatározásától függ, amelyek olyan forrásokból származnak, mint a természetes felszíni lefolyás, a nem pontszerű szennyezés, a szivárgó szeptikus rendszerek, a légköri lerakódás, a talajvíz és a vadon élő állatok. A tápanyagköltségvetések meghatározzák a tórendszerből kiáramlással és az üledékben történő lerakódással a tórendszerbe kerülő tápanyagok mennyiségét is. A tápanyagterhelés számszerűsítése megköveteli a vízháztartás értékelését és az egyes vízforrásokban lévő tápanyagkoncentráció meghatározását. Így a mellékfolyó által szolgáltatott tápanyag mennyisége a koncentráció és az egységnyi időre jutó vízmennyiség (az áramlás) szorzata. Ezt nevezzük a számszerűsítendő tápanyag és forrás “terhelésének”.
A tápanyagköltségvetést általában két elsődleges módon határozzák meg: közvetlen méréssel vagy különböző, korábbi vizsgálatok során meghatározott empirikus összefüggésekből történő becsléssel.
Biológia
Baktériumok: Bár a legtöbb ember soha nem látja, a baktériumok kulcsszerepet játszanak a tavak életében. Ők az élőlények legnagyobb számban előforduló csoportja a tavakban, és legtöbbjük döntő szerepet játszik bármilyen szerves anyag szervetlen formává alakításában.
A baktériumok lehetnek szabadon úszó, a vízoszlopban, az aljzathoz kötődve vagy az üledékben. Sokan aerobok, oxigénre van szükségük a szerves anyag szervetlen formává és energiává történő átalakításához. Sokan mások anaerobok, más kémiai utakat használnak az energia kinyerésére.
Néhány baktérium emberi egészségügyi problémákat okoz, vagy hasznos indikátornak bizonyult az emberi egészséget fenyegető veszélyek valószínű jelenlétére vonatkozóan. Az Escherichia coli (E. coli) általában egy ártalmatlan baktérium, amely a beleinkben található, de egy tóban való előfordulása szennyvízre, szeptikus bevitelre vagy más fekáliás szennyeződésre utal, valamint az emberi baktérium- és vírusos betegségek átvitelének lehetőségére.
Alga: Az algák többnyire mikroszkopikus növények, amelyek lehetnek szabadon úszó (fitoplankton) vagy az aljzathoz tapadó (perifiton) növények. Lehetnek egysejtűek vagy soksejtűek. Egy közepesen gazdag tóban egy evőkanálnyi tóvízben közel száz algafaj is lehet. Egy eutróf tóban akár több millió sejt is lehet egy gallon vízben. Az algákat több nagy csoportra osztják, ezek közé tartoznak a zöldmoszatok (Chlorophyta), az aranybarna algák (Chrysophyta), a dinoflagellák (Pyrrophyta), a kétszikűek (Bacillariophyta) és a kékalgák (Cyanophyta).
A fenti csoportok mindegyikének vannak olyan tulajdonságokkal rendelkező fajai, amelyek lehetővé teszik, hogy nagyon elszaporodjanak és zavaróvá váljanak. Néha az, hogy tudjuk, melyik faj van “virágzásban”, segíthet megérteni a virágzás okát. Például bizonyos kékalgák gyakran virágzanak, amikor sok a foszfor és kevés a nitrát, mert képesek nitrogént megkötni az oldott levegőből. Gyakran kedvelik a nyugodt víz időszakát, mert lebegnek, és így árnyékolják a konkurens fajokat. E feltételek egyidejű fennállása általában kékzöldeket eredményez, de az egyik elem hiánya az egyensúlyt egy másik faj vagy algák egy másik csoportja javára tolhatja el. A diatómák általában a nagy keveredés, a hűvösebb hőmérséklet és a nagyobb szilícium-dioxid-ellátottság idejét kedvelik – ezek a feltételek a tavaszi és az őszi vízforgatás idején találhatók. Úgy tűnik, hogy sok dinoflagellata az átlagosnál magasabb szervesanyag-tartalmú körülményeket kedveli.
A tavak hő-, fény- és tápanyagrendszerének dinamikája meglehetősen kiszámítható mintázatot eredményez az algafajok szezonális szukcessziójában, de bármikor érhetnek meglepetések. Jellemzően azonban a tavaszi és őszi fluktuáció a diatómáknak kedvez, amelyek nagyon elszaporodhatnak, de általában nem okoznak komoly hatást az emberi használatra, bár egyes fajok íz- és szagproblémákat okoznak az ivóvíztározókban, és eltömíthetik a szűrőket. A termikus rétegződés után gyakran a zöld algák válnak dominánssá a nyár nagy részében, amikor nitrogén áll rendelkezésre, de magasabb hőmérsékleten, alacsonyabb nitrogénkoncentrációban és magas pH-nál felváltják őket a kékalgák.
Aquatic Macrophytes: Az algákkal ellentétben, amelyek általában mikroszkopikus növények, ezek nagyméretű, szabad szemmel is jól látható vízi növények. Az algák és a makrofiták gyakran versengenek a fényért, ezért szokatlan, hogy mindkettő problémaként jelentkezik egy adott tóban, bár előfordul. A makrofiták lehetnek gyökeresek vagy szabadon úszóak, bár a legtöbbjük gyökeres. Lehetnek víz alatti, felszínre merülő vagy úszó levelűek is. Számos rendszertani csoport létezik, de a fenti kategóriák gyakran a leghasznosabbak a makrofita probléma okainak megértéséhez és a megfelelő kezelési stratégia meghatározásához. Valójában az egyes kategóriákon belül sok faj nagyon hasonlóan nézhet ki, mivel növekedési szokásaik a tó általános körülményeire reagálnak. Azonban annak ellenére, hogy sok makrofita faj hasonlónak tűnik, a tavakban problémát okozó hajlamuk eltérő. A makrofiták hatékony kezelése általában fajszintű azonosítást igényel.
A növények élőhelyet és táplálékot biztosítanak az állatvilág számos formája számára, kezdve a mikroszkopikus rotifióktól, amelyek apró algákat szűrnek, a nagyobb algákra vadászó zooplanktonokon, a rovarokon át a halakig és vízi emlősökig, amelyek még nagyobb növényeket vagy állatokat fogyasztanak. Ennek a táplálékhálózatnak bármelyik részében bekövetkező változás az egész rendszerben finom vagy akár drámai módon hullámzik.
A vízgyűjtő
A vízgyűjtőt leginkább tölcsérként lehet leírni. A tölcsér felső széle a földrajzi jellemzők (dombok, hegyek), amelyek a vízgyűjtő medence határát jelölik. A tölcsér belseje, vagyis a tölcsér falai jelentik mindazt a földterületet, amely a dombok vagy hegyek határán belül van, és amely a tóba folyik le. A tó a tölcsér alján van, és befogadja az összes vizet, amely ezekről a hegycsúcsokról, a szárazföldön keresztül és a patakokba folyik.
A vízgyűjtő terület tartalmazza az Ön házát, autóját, munkahelyét, golfpályáját, bevásárlóközpontját és annak minden burkolt területét, szeptikus rendszerét, autómosóit, labdapályáit, homokozóit és különféle más földhasználati típusait. Nem számít, milyen messze van egy felszíni víztől, akár látja azt a tavat vagy folyót, akár nem, Ön egy vízgyűjtő területen van.