Di seguito una panoramica di alcune informazioni elementari relative alla limnologia e alla gestione dei laghi che sono importanti da conoscere per capire i laghi e il quadro generale della gestione dei laghi. Per informazioni più dettagliate si prega di visitare la Libreria NALMS, che ha numerose pubblicazioni sulla limnologia generale e sugli argomenti relativi ai laghi.
Tipi di bacino
Eventi che si sono verificati sulla o sotto la superficie terrestre migliaia di anni fa hanno formato molti dei nostri laghi. Come risultato, i laghi sono di solito concentrati in aree che hanno un gran numero di corpi idrici. La maggior parte dei laghi si trova nell’emisfero settentrionale, dove grandi aree erano coperte da enormi formazioni di ghiaccio. Su una scala di durata della vita umana, i laghi sembrano essere caratteristiche permanenti del nostro paesaggio, ma in realtà sono solo geologicamente temporanei. Si creano, maturano (si riempiono) e alla fine scompaiono.
Le origini dei bacini lacustri e le loro caratteristiche riflettono in ultima analisi gli eventi fisici, chimici e biologici che hanno luogo nell’area che li circonda. Questi eventi giocano un ruolo importante nel modo in cui il lago risponde alle attività circostanti.
Laghi glaciali: Gli agenti di gran lunga più importanti nella formazione dei laghi sono gli effetti catastrofici dei movimenti glaciali che si sono verificati da 10.000 a 12.000 anni fa. Giganteschi strati di ghiaccio e neve si creano in climi dove la neve cade ma non si scioglie. I ghiacciai coprivano un’area dall’Oceano Atlantico alle Montagne Rocciose con ghiaccio alto più di un miglio. Anche se questi ghiacciai alla fine si sono sciolti, il dieci per cento della terra è attualmente coperto da ghiacciai. Alcuni di questi ghiacciai si possono ancora vedere nelle zone montagnose degli Stati Uniti e del Canada.
Quando un ghiacciaio si muove avanti e indietro attraverso la terra, raschiando le cime delle colline e delle scogliere e portando via le rocce, si formano i laghi. Il materiale raccolto dal ghiacciaio viene poi scaricato in altri siti. Questo movimento avanti e indietro e stop and go dei ghiacciai altera permanentemente il paesaggio. Questo movimento crea diverse forme di terreno importanti. Quando il ghiacciaio si ferma, lascia dietro di sé mucchi di rocce e materiali che ha trasportato nel tempo, chiamati morene. Queste arginano fiumi e piccoli corsi d’acqua per formare laghi. A volte, enormi blocchi di ghiaccio si staccano e sono coperti da sabbia e ghiaia. Quando il ghiaccio si scioglie, la sabbia e la ghiaia cedono, lasciando un grande buco dietro di sé. Queste cavità possono formare grandi paludi o laghi. Quando la grande massa di ghiaccio si scioglie, si formano fiumi sotto i ghiacciai.
Laghi di soluzione: I laghi possono formarsi quando i depositi sotterranei di rocce solubili vengono dissolti dall’acqua che attraversa la zona, creando una depressione nel terreno. Le formazioni rocciose fatte di cloruro di sodio (sale), o di carbonato di calcio (calcare), hanno maggiori probabilità di essere dissolte dalle acque acide. Una volta che l’acqua freatica ha dissolto le rocce sotto la superficie, la parte superiore del terreno cede, di solito formando un lago di forma rotonda, chiamato lago di soluzione. Tipicamente, le depressioni sono abbastanza profonde da estendersi al di sotto della falda acquifera e sono permanentemente riempite d’acqua. I laghi di soluzione sono comuni in Michigan, Indiana, Kentucky e in particolare in Florida.
Laghi ossigenati: Il flusso d’acqua dei fiumi ha una grande energia e forza erosiva che può creare bacini lacustri. Come un fiume si snoda sulla superficie terrestre, una maggiore quantità di erosione si verifica sull’ansa esterna del fiume, dove il flusso dell’acqua è più veloce. I materiali trasportati dal fiume si depositano sulla parte interna dell’ansa, dove le correnti sono ridotte. Con il passare del tempo, l’erosione continua e più materiali vengono depositati fino a quando il meandro a forma di U del fiume si chiude. Il corso principale del fiume taglia un nuovo canale verso l’estremità interna del meandro. I laghi Oxbow hanno solitamente la forma della lettera C.
Laghi artificiali o artificiali: Molti piccoli laghi in Nord America sono stati formati dalle attività del castoro americano. Bastoni, piante acquatiche e fango sono usati per costruire dighe attraverso piccoli ruscelli per formare un bacino d’acqua. Questi stagni sono di solito molto poco profondi e sono ricchi di nutrienti e vita vegetale. Gli esseri umani hanno costruito laghi artificiali (serbatoi) per fornire acqua potabile al pubblico, per fornire energia, per aiutare la navigazione, per controllare le inondazioni e per scopi ricreativi. Questi serbatoi sono di solito ben ingegnati dall’uomo per trattenere una certa quantità d’acqua con l’uso di dighe.
Laghi vulcanici: A volte, eventi disastrosi associati all’attività vulcanica formano bacini lacustri. La formazione di laghi vulcanici può avvenire in diversi modi. Come il materiale vulcanico, incluso il magma, viene scaricato fuori dal vulcano, si formano depressioni vuote o cavità all’interno del vulcano. Alcune di queste depressioni non possono drenare e diventano buchi sigillati sulla cima del vulcano. La pioggia e il deflusso alla fine riempiono la depressione con l’acqua e si forma un nuovo lago.
I laghi che si formano nei crateri dei vulcani, o laghi craterici, sono più comuni nelle aree che sono soggette ad attività vulcanica. I laghi formati dal cedimento del tetto di una camera magmatica parzialmente vuota sono chiamati caldere. Uno dei laghi più spettacolari formati in questo modo è il Crater Lake in Oregon. Il Crater Lake è il settimo lago più profondo del mondo con una profondità massima di 608 m (2006 ft). I bacini vulcanici, come il Crater Lake, sono di solito di forma molto rotonda. Anche i flussi di lava dell’attività vulcanica possono formare dei laghi. La lava superficiale si raffredda e diventa solida, mentre l’interno della colata lavica rimane abbastanza caldo da continuare a muoversi. Alla fine, la superficie della lava indurita crolla, formando una depressione. Queste depressioni alla fine si riempiono d’acqua per formare piccoli laghi. I flussi di lava fluiscono anche nelle valli dei fiumi esistenti e si solidificano in una diga. Questa massa solida di roccia fa risalire l’acqua del fiume in un nuovo lago.
Laghi di frana: Grandi quantità di materiali che cadono dai lati di valli ripide nel fondo delle valli dei torrenti possono causare dighe che creano nuovi laghi. Tali frane di solito si verificano come risultato di eventi meteorologici anormali, come piogge eccessive che agiscono su un pendio instabile. Le dighe di frana possono essere il risultato di cadute di massi, colate di fango o anche frane di ghiaccio. I laghi che si formano da frane sono di solito solo temporanei perché possono essere suscettibili di erosione da parte del flusso del fiume o del torrente. Se la diga è molto grande, il lago può diventare permanente.
Laghi tettonici: I bacini tettonici sono depressioni formate dai movimenti della crosta terrestre in profondità nel sottosuolo. I principali tipi di bacini tettonici sono formati da faglie. Una depressione si forma quando una sezione debole della crosta terrestre si separa, causando un terremoto. Le piogge e le acque sotterranee possono raccogliersi in questa depressione, formando un lago. Questo tipo di bacino viene chiamato graben ed è la modalità di origine di un gran numero di laghi relitti più spettacolari del mondo che contengono un gran numero di specie vegetali e animali autoctone. Il lago più profondo del mondo, il lago Baikal in Siberia, si è formato dall’attività tettonica. Negli Stati Uniti, il lago Tahoe in California e Nevada si è formato dall’attività tettonica.
La formazione di un lago e la struttura e la forma, o morfologia, del bacino lacustre influenzano il funzionamento del lago nelle sue fasi di vita. Caratteristiche come la lunghezza del lago, la larghezza, la profondità, l’area e il volume sono tutte importanti per il modo in cui la qualità dell’acqua del lago può essere influenzata dai cambiamenti del terreno. Quando gli esseri umani sviluppano il terreno che circonda il lago, disturbano i terreni, scambiano gli alberi per viali o tetti e sostituiscono la vegetazione naturale. Questi cambiamenti si traducono in un aumento del flusso di deflusso superficiale e in un aumento della quantità di nutrienti nel lago. La struttura del lago detta come il lago reagirà a questi cambiamenti culturali nei terreni circostanti. Conoscere la morfologia del lago e come il lago si è formato sono strumenti importanti usati dagli scienziati per aiutare a proteggere i nostri laghi dagli inquinanti che possono deteriorare la loro salute.
Miscelazione e stratificazione
La struttura termica dei laghi aiuta a determinare la produttività e il ciclo dei nutrienti. La struttura termica dei laghi è determinata da diversi fattori. I laghi ricevono la maggior parte del loro calore in superficie dal riscaldamento solare. Poiché l’acqua più calda galleggia, la colonna d’acqua deve avere un input di energia per mescolare quel calore più in profondità, e nella maggior parte dei laghi, il vento fornisce quell’energia.
Un lago che è completamente protetto dal vento avrà uno strato molto caldo ma poco profondo in superficie con acqua fredda sotto. Un lago esposto a forti venti avrà uno strato superiore più freddo ma più spesso sopra l’acqua più fredda. I laghi più profondi possono formare una struttura a tre strati che per tutta l’estate consiste in uno strato superiore caldo (l’epilimnio), uno strato intermedio di transizione (il metalimnio, all’interno del quale il punto di maggior cambiamento verticale di temperatura è chiamato termoclino), e uno strato inferiore più freddo (l’ipolimnio).
La struttura termica di un lago non è costante durante l’anno. A partire dall’uscita del ghiaccio all’inizio della primavera (sempre che il tuo lago si ghiacci), tutta l’acqua del lago, dall’alto al basso, è vicina alla stessa temperatura; la differenza di densità è leggera e l’acqua è facilmente mescolata dai venti di primavera. Con le giornate più calde, la differenza tra la temperatura della superficie e quella del fondo dell’acqua aumenta fino alla stratificazione se la profondità del lago è sufficiente. Alla fine, il riscaldamento solare diminuisce man mano che ci spostiamo nelle stagioni più fresche, e lo strato superiore comincia a raffreddarsi e ad affondare. Alla fine, in autunno, il lago ha una temperatura simile da cima a fondo. In inverno, il ghiaccio si forma in superficie e si crea una nuova stratificazione inversa (freddo su acqua fredda) che persiste fino alla primavera. Il grado di stratificazione è importante per il ciclo dei nutrienti, la variabilità dell’ossigeno nelle acque più profonde, il movimento dell’acqua in entrata attraverso il lago e i tipi di organismi acquatici che vivono nel lago.
Flushing
Il tempo medio richiesto per rinnovare completamente il volume d’acqua di un lago (volume del lago diviso per il tasso di deflusso) è chiamato tempo di residenza idraulico o tasso di flushing. Il tempo di residenza idraulica è una funzione del volume di acqua che entra o esce dal lago rispetto al volume del lago (cioè, il bilancio idrico). Più grande è il volume del lago e più piccole sono le entrate o le uscite idrauliche, più lungo sarà il tempo di residenza.
Il tempo di residenza del lago può variare da poche ore o giorni a molti anni. Il lago Superiore, per esempio, ha un tempo di residenza di 184 anni. Tuttavia, la maggior parte dei laghi hanno tipicamente tempi di residenza da giorni a mesi.
Il tasso di lavaggio di un lago determinerà come risponde a molti input dall’atmosfera e dal suo spartiacque.
Classificazione trofica
La classificazione trofica del lago, o la classificazione del grado di invecchiamento del lago, è spesso classificata usando qualche tipo di sistema di valutazione stabilito che assegna punti ad una certa caratteristica del lago (contenuto di ossigeno, biomassa algale, materiale vegetale, chiarezza, ecc). Questo sistema di punti permette a un limnologo di assegnare un certo valore per ogni categoria del sistema. Diversi limnologi usano diversi sistemi di classificazione, ma le categorie (oligotrofico, mesotrofico ed eutrofico) sono le stesse.
Se un lago possedesse livelli molto alti di ossigeno disciolto, un’alta lettura di trasparenza, avesse una scarsa crescita di piante vascolari e livelli relativamente bassi di crescita di plancton, il lago sarebbe classificato come oligotrofico, o un lago “giovane”.
I laghi con livelli di ossigeno disciolto più bassi, una lettura di trasparenza poco profonda, abbondanti piante acquatiche vascolari e alti livelli di clorofilla-a (che significano alte popolazioni di plancton) ricevono più punti e sono definiti “vecchi” o eutrofici.
Un lago che cade tra i due estremi di eutrofico e oligotrofico è definito mesotrofico. Questo stadio di sviluppo del lago può essere meglio definito “di mezza età”.
Nutrienti
I laghi possono soffrire di molti impatti dello sviluppo culturale umano, ma sono i nutrienti che finiscono nel lago che guidano alcuni dei problemi critici nella qualità dell’acqua del lago.
Tutte le piante hanno bisogno di un adeguato equilibrio dei principali nutrienti essenziali, in particolare fosforo, azoto e carbonio. Hanno anche bisogno di luce. Supponendo che la luce sia facilmente disponibile, le piante assumono i nutrienti nella proporzione richiesta dalle loro cellule. Il nutriente che scarseggia rispetto al bisogno della pianta limiterà la crescita delle piante. Questo è chiamato il concetto di nutriente limitante. Alcune parti del paese hanno acque che sono limitate dall’azoto, mentre la maggior parte dei corpi idrici sono limitati dal fosforo. Gli oligoelementi possono a volte essere limitanti, ma in misura minore.
Lo sviluppo di un bilancio dei nutrienti (analisi del carico) fornisce informazioni sulle cause dell’eutrofizzazione del lago. I bilanci dei nutrienti dipendono dalla determinazione delle quantità di un nutriente che sono fornite da fonti come il deflusso superficiale naturale, l’inquinamento da fonti non puntuali, sistemi settici che perdono, deposizione atmosferica, acque sotterranee e fauna selvatica. I bilanci dei nutrienti determinano anche la quantità di nutrienti persi nel sistema lacustre attraverso il deflusso e la deposizione nei sedimenti. La quantificazione del carico di nutrienti richiede la valutazione del bilancio idrico e la determinazione della concentrazione del nutriente in ogni fonte d’acqua. Così la quantità di nutriente fornita da un affluente è la concentrazione per il volume d’acqua per unità di tempo (il flusso). Questo è chiamato “carico” per il nutriente e la fonte che viene quantificata.
I bilanci dei nutrienti sono comunemente determinati in due modi principali: tramite misurazione diretta o tramite stima da varie relazioni empiriche determinate in studi passati.
Biologia
Batteri: Anche se non sono mai visti dalla maggior parte delle persone, i batteri giocano un ruolo fondamentale nella vita dei laghi. Sono il gruppo di organismi più abbondante in un lago e la maggior parte di essi è fondamentale nel convertire qualsiasi materiale organico in forma inorganica.
I batteri possono essere liberi nella colonna d’acqua, attaccati a un substrato o nei sedimenti. Molti sono aerobici, richiedendo ossigeno per la conversione di materiale organico in forme inorganiche e di energia. Molti altri sono anaerobici, utilizzando altre vie chimiche per ricavare energia.
Alcuni batteri creano problemi di salute umana o hanno dimostrato di essere utili indicatori della probabile presenza di minacce alla salute umana. L’Escherichia coli (E. coli) è di solito un batterio innocuo che si trova nel nostro intestino, ma la sua abbondanza in un lago indica acque di scarico, immissioni settiche o altri contaminanti fecali e il potenziale di trasferimento di malattie umane batteriche e virali.
Alghe: Le alghe sono per lo più piante microscopiche che possono essere libere (fitoplancton) o attaccate a un substrato (periphyton). Possono essere unicellulari o avere molte cellule. In un lago moderatamente ricco, ci potrebbero essere quasi cento specie di alghe in un cucchiaio di acqua del lago. In un lago eutrofico, ci possono essere milioni di cellule in un gallone d’acqua. Le alghe sono divise in diversi gruppi principali, tra cui le alghe verdi (Chlorophyta), le alghe bruno-dorate (Chrysophyta), i dinoflagellati (Pyrrophyta), le diatomee (Bacillariophyta) e le alghe blu-verdi (Cyanophyta).
Ognuno di questi gruppi ha specie con caratteristiche che possono permettere loro di diventare molto abbondanti e fastidiose. A volte, sapere quale specie è in “fioritura” può aiutare a capire la causa della fioritura. Per esempio, alcune alghe blu-verdi spesso fioriscono quando il fosforo è abbondante e il nitrato è basso perché possono fissare l’azoto dall’aria dissolta. Spesso preferiscono un periodo di acqua calma perché galleggiano e di conseguenza fanno ombra alle specie concorrenti. La concomitanza di queste condizioni di solito dà luogo a blu-verdi, ma l’assenza di un elemento può spostare l’equilibrio verso un’altra specie o un altro gruppo algale. Le diatomee tendono a preferire tempi di alta miscelazione, temperature più fresche e maggiore disponibilità di silice – condizioni che si trovano in primavera e autunno. Molti dinoflagellati sembrano preferire condizioni con materiale organico superiore alla media.
Le dinamiche dei regimi termici, di luce e di nutrienti nei laghi causano un modello abbastanza prevedibile nella successione stagionale delle specie algali, ma ci possono essere sorprese in qualsiasi momento. Tipicamente, però, il ricambio primaverile e autunnale favorisce le diatomee che possono diventare molto abbondanti ma di solito non causano gravi impatti sull’uso umano, anche se alcune specie causano problemi di gusto e odore nei bacini di acqua potabile e possono intasare i filtri. Dopo la stratificazione termica, le alghe verdi diventano spesso dominanti per la maggior parte dell’estate quando l’azoto è disponibile, ma possono essere sostituite da alghe blu-verdi a temperature più elevate, concentrazioni di azoto inferiori e pH elevato.
Macrofite acquatiche: Al contrario delle alghe che sono di solito piante microscopiche, queste sono grandi piante acquatiche, facilmente visibili ad occhio nudo. Alghe e macrofite spesso competono per la luce, quindi è insolito trovare entrambi come problemi in un particolare lago, anche se succede. Le macrofite possono essere radicate o galleggianti, anche se la maggior parte sono radicate. Possono anche essere sommerse, emergenti o con foglie galleggianti. Ci sono molti gruppi tassonomici, ma le categorie di cui sopra sono spesso le più utili per capire le cause di un problema di macrofite e determinare una strategia di gestione appropriata. Infatti, all’interno di ogni categoria, molte specie possono sembrare molto simili in quanto la loro crescita risponde alle condizioni comuni del lago. Tuttavia, anche se molte specie di macrofite sembrano simili, la loro propensione a causare problemi nei laghi varia. Una gestione efficace delle macrofite di solito richiede l’identificazione a livello di specie.
Le piante forniscono l’habitat e il cibo per molte forme di vita animale che vanno dai microscopici rotiferi che filtrano le alghe più piccole, allo zooplancton che caccia le alghe più grandi, agli insetti, ai pesci e ai mammiferi acquatici che mangiano anche piante o animali più grandi. Un cambiamento in qualsiasi parte di questa rete alimentare si ripercuote in tutto il sistema in modi sottili o anche drammatici.
Lo spartiacque
Uno spartiacque può essere meglio descritto come un imbuto. Il bordo superiore dell’imbuto è costituito dalle caratteristiche geografiche (colline, montagne) che segnano il confine di un bacino di drenaggio. L’interno dell’imbuto, o le pareti dell’imbuto, rappresentano tutta la terra che è all’interno del confine delle colline o delle montagne che drena al lago. Il lago è sul fondo dell’imbuto, ricevendo tutta l’acqua che scorre da quelle colline, attraverso la terra, e nei ruscelli.
Il bacino idrografico contiene la tua casa, l’auto, il lavoro, il campo da golf, il centro commerciale e tutte le sue aree pavimentate, il sistema settico, gli autolavaggi, i campi da palla, le fosse di sabbia, e vari altri tipi di uso del suolo. Non importa quanto tu sia lontano da un’acqua superficiale, se puoi vedere quel lago o fiume o meno, sei in uno spartiacque.