Podstawy nauki o jeziorach

Poniżej znajduje się przegląd niektórych elementarnych informacji związanych z limnologią i zarządzaniem jeziorami, które są ważne dla zrozumienia jezior i szerokiego obrazu zarządzania jeziorami. W celu uzyskania bardziej szczegółowych informacji prosimy odwiedzić Księgarnię NALMS, która posiada liczne publikacje na temat limnologii ogólnej i tematów związanych z jeziorami.

Typy basenów

Zdarzenia, które miały miejsce na lub pod powierzchnią Ziemi tysiące lat temu, uformowały wiele z naszych jezior. W rezultacie, jeziora są zwykle skoncentrowane w obszarach, które mają dużą liczbę zbiorników wodnych. Większość jezior można znaleźć na półkuli północnej, gdzie duże obszary były pokryte przez ogromne formacje lodowe. W skali długości ludzkiego życia, jeziora wydają się być stałymi elementami naszego krajobrazu, ale tak naprawdę są one tylko geologicznie tymczasowe. Powstają, dojrzewają (wypełniają się) i w końcu znikają.

Powstanie basenów jeziornych i ich cechy ostatecznie odzwierciedlają fizyczne, chemiczne i biologiczne wydarzenia zachodzące w obrębie otaczającego je obszaru. Wydarzenia te odgrywają ważną rolę w tym, jak jezioro reaguje na otaczającą je działalność.

Lodowcowe jeziora: Zdecydowanie najważniejszymi czynnikami w powstawaniu jezior są katastrofalne skutki ruchów lodowcowych, które miały miejsce 10 000 do 12 000 lat temu. Gigantyczne płaty lodu i śniegu powstają w klimacie, w którym śnieg pada, ale się nie topi. Lodowce pokrywały obszar od Oceanu Atlantyckiego po Góry Skaliste lodem o wysokości ponad mili. Mimo że lodowce te w końcu się roztopiły, dziesięć procent powierzchni Ziemi jest obecnie pokryte lodowcami. Niektóre z tych lodowców nadal można zobaczyć w górzystych obszarach Stanów Zjednoczonych i Kanady.

As a glacier moves back and forth across the land, scraping off the tops of hills and bluffs and taking rocks with it, lakes are formed. Materiał podnoszony przez lodowiec jest później zrzucany w innych miejscach. Ten ruch lodowców tam i z powrotem, zatrzymywanie się i odchodzenie, trwale zmienia krajobraz. Ruch ten tworzy kilka ważnych form ukształtowania terenu. Kiedy lodowiec zatrzymuje się, pozostawia za sobą stosy skał i materiałów, które przeniósł w czasie, zwane morenami. Spiętrzają one rzeki i mniejsze strumienie, tworząc jeziora. Czasami ogromne bloki lodu są odłamywane i pokrywane piaskiem i żwirem. Kiedy lód się topi, piasek i żwir zapadają się, pozostawiając za sobą duży otwór. Takie kociołki mogą tworzyć duże bagna lub jeziora. Gdy duża masa lodu topnieje, pod lodowcami tworzą się rzeki.

Jeziora roztworowe: Jeziora mogą powstawać, gdy podziemne złoża rozpuszczalnych skał są rozpuszczane przez wodę przepływającą przez dany obszar, tworząc depresję w ziemi. Formacje skalne wykonane z chlorku sodu (sól), lub węglanu wapnia (wapień), są najbardziej prawdopodobne do rozpuszczenia przez kwaśne wody. Gdy wody gruntowe rozpuszczą skały znajdujące się pod powierzchnią, wierzchnia warstwa gruntu zapada się, tworząc zwykle jezioro o okrągłym kształcie, zwane jeziorem roztworu. Zazwyczaj depresje są na tyle głębokie, że sięgają poniżej poziomu wód gruntowych i są stale wypełnione wodą. Jeziora roztworowe są powszechne w Michigan, Indianie, Kentucky, a zwłaszcza na Florydzie.

Oxbow Lakes: Przepływ wody z rzek ma dużą ilość energii i siły erozyjnej, która może tworzyć niecki jeziorne. Gdy rzeka wije się nad powierzchnią ziemi, większa ilość erozji występuje na zewnętrznych zakolach rzeki, gdzie przepływ wody jest najszybszy. Materiały niesione przez rzekę osadzają się na wewnętrznej części zakola, gdzie prądy są mniejsze. W miarę upływu czasu erozja postępuje, a kolejne materiały są odkładane, aż do zamknięcia się meandru rzeki w kształcie litery U. Główny bieg rzeki wycina nowe koryto do wewnętrznego końca meandra. Jeziora szczawnicowe mają zwykle kształt litery C.

Jeziora stworzone przez człowieka lub zwierzęta: Wiele małych jezior w Ameryce Północnej zostało utworzonych przez działalność bobra amerykańskiego. Patyki, rośliny wodne i błoto są używane do budowania tam w poprzek małych strumieni, aby utworzyć zbiornik wodny. Stawy te są zazwyczaj bardzo płytkie, bogate w składniki odżywcze i roślinność. Ludzie zbudowali sztuczne jeziora (zbiorniki), aby dostarczać wodę pitną dla ludności, dostarczać energię, pomagać w nawigacji, zapewniać kontrolę powodzi i do celów rekreacyjnych. Zbiorniki te są zwykle dobrze zaprojektowane przez ludzi, aby zatrzymać pewną ilość wody za pomocą zapór.

Jeziora wulkaniczne: Czasami, katastrofalne wydarzenia związane z aktywnością wulkaniczną tworzą baseny jezior. Tworzenie się jezior wulkanicznych może przebiegać w różny sposób. Ponieważ materiał wulkaniczny, w tym magma, jest odprowadzany z wulkanu, w jego wnętrzu powstają puste zagłębienia lub wnęki. Niektóre z tych zagłębień nie mogą odpływać i stają się zamkniętymi otworami na szczycie wulkanu. Opady deszczu i spływy ostatecznie wypełniają depresję wodą i powstaje nowe jezioro.

Jeziora, które powstają w kraterach wulkanów, lub jeziora kraterowe, są bardziej powszechne w obszarach, które podlegają aktywności wulkanicznej. Jeziora powstałe w wyniku zawalenia się dachu częściowo pustej komory magmowej nazywane są kalderami. Jednym z najbardziej spektakularnych jezior powstałych w ten sposób jest Jezioro Kraterowe w Oregonie. Jezioro Kraterowe jest siódmym najgłębszym jeziorem na świecie, a jego maksymalna głębokość wynosi 608 m (2006 stóp). Niecki wulkaniczne, takie jak Jezioro Kraterowe, mają zazwyczaj bardzo okrągły kształt. Lawa wypływająca z aktywności wulkanicznej może również tworzyć jeziora. Lawa powierzchniowa stygnie i staje się stała, podczas gdy wnętrze strumienia lawy pozostaje wystarczająco gorące, by kontynuować ruch. Ostatecznie powierzchnia stwardniałej lawy zapada się, tworząc depresję. Zagłębienia te ostatecznie wypełniają się wodą, tworząc mniejsze jeziora. Strumienie lawy wpływają również do istniejących dolin rzecznych i zestalają się tworząc zaporę. Ta stała masa skalna spiętrza wodę z rzeki do nowego jeziora.

Landslide lakes: Duże ilości materiałów, które spadają z boków stromych dolin do podłóg dolin strumieni mogą powodować zapory, które tworzą nowe jeziora. Takie osuwiska powstają zwykle w wyniku anomalnych zjawisk meteorologicznych, takich jak nadmierne deszcze działające na niestabilne zbocze. Zapory osuwiskowe mogą być wynikiem obrywów skalnych, spływów błotnych, a nawet oblodzeń. Jeziora powstałe w wyniku osuwisk są zazwyczaj tylko tymczasowe, ponieważ mogą być podatne na erozję spowodowaną przepływem rzeki lub strumienia. Jeśli zapora jest bardzo duża, jezioro może stać się trwałe.

Jeziora tektoniczne: Niecki tektoniczne to obniżenia powstałe w wyniku ruchów skorupy ziemskiej głęboko pod ziemią. Główne typy basenów tektonicznych powstają w wyniku uskoków. Depresja tworzy się, gdy słaba część skorupy ziemskiej oddziela się, co powoduje trzęsienie ziemi. Opady deszczu i wody gruntowe mogą gromadzić się w tej depresji, tworząc jezioro. Ten typ basenu jest określany jako graben i jest sposobem pochodzenia wielu z najbardziej spektakularnych jezior reliktowych na świecie, zawierających ogromną liczbę rodzimych gatunków roślin i zwierząt. Najgłębsze jezioro na świecie, Bajkał na Syberii, powstało w wyniku działalności tektonicznej. W Stanach Zjednoczonych, jezioro Tahoe w Kalifornii i Nevadzie powstało w wyniku działalności tektonicznej.

Powstanie jeziora oraz struktura i forma, lub morfologia, basenu jeziora wpływa na to, jak jezioro funkcjonuje przez cały okres swojego życia. Charakterystyki takie jak długość, szerokość, głębokość, powierzchnia i objętość jeziora są ważne dla jakości wody w jeziorze, na którą mogą wpłynąć zmiany terenu. W miarę jak ludzie zagospodarowują tereny otaczające jezioro, naruszają glebę, zamieniają drzewa na podjazdy lub dachy i zastępują naturalną roślinność. Zmiany te skutkują zwiększonym spływem powierzchniowym i wzrostem ilości składników odżywczych do jeziora. Struktura jeziora dyktuje jak jezioro zareaguje na te zmiany kulturowe na otaczających je terenach. Znajomość morfologii jeziora i tego, jak jezioro zostało uformowane są ważnymi narzędziami używanymi przez naukowców, aby pomóc chronić nasze jeziora przed zanieczyszczeniami, które mogą pogorszyć ich zdrowie.

Mieszanie i stratyfikacja

Struktura termiczna jezior pomaga określić produktywność i obieg składników odżywczych. Struktura termiczna jezior jest określana przez kilka czynników. Jeziora otrzymują większość swojego ciepła na powierzchni z ogrzewania słonecznego. Ponieważ cieplejsza woda unosi się na powierzchni, słup wody musi mieć dopływ energii, aby wymieszać to ciepło głębiej, a w większości jezior wiatr dostarcza tej energii.

Jezioro, które jest całkowicie chronione przed wiatrem będzie miało bardzo ciepłą, ale płytką warstwę na powierzchni z zimną wodą poniżej. Jezioro wystawione na działanie silnego wiatru będzie miało chłodniejszą, ale grubszą górną warstwę pokrywającą zimniejszą wodę. Głębsze jeziora mogą tworzyć strukturę trójwarstwową, która przez całe lato składa się z górnej ciepłej warstwy (epilimnion), środkowej warstwy przejściowej (metalimnion, w którym punkt największej pionowej zmiany temperatury nazywany jest termokliną) i chłodniejszej warstwy dennej (hypolimnion).

Struktura termiczna jeziora nie jest stała przez cały rok. Począwszy od oblodzenia wczesną wiosną (pod warunkiem, że jezioro jest oblodzone), cała woda w jeziorze, od góry do dołu, ma prawie taką samą temperaturę; różnica gęstości jest niewielka, a woda jest łatwo mieszana przez wiosenne wiatry. Wraz z nadejściem cieplejszych dni, różnica pomiędzy temperaturą wody na powierzchni i na dnie wzrasta aż do stratyfikacji, jeśli głębokość jeziora jest wystarczająca. Ostatecznie, ogrzewanie słoneczne maleje wraz z nadejściem chłodniejszej pory roku, a górna warstwa zaczyna się ochładzać i opadać. Ostatecznie, jesienią, jezioro ma podobną temperaturę od góry do dołu. Zimą na powierzchni tworzy się lód i powstaje nowa, odwrotna stratyfikacja (zimna woda nad chłodną), która utrzymuje się do wiosny. Stopień stratyfikacji jest ważny dla obiegu składników odżywczych, zmienności tlenu w głębszych wodach, ruchu wody wpływającej przez jezioro i typów organizmów wodnych, które żyją w jeziorze.

Przepłukiwanie

Średni czas wymagany do całkowitego odnowienia objętości wody w jeziorze (objętość jeziora podzielona przez natężenie odpływu) jest nazywany czasem hydraulicznego przebywania lub tempem przepłukiwania. Hydrauliczny czas przebywania jest funkcją objętości wody wpływającej lub wypływającej z jeziora w stosunku do objętości jeziora (tj. budżetu wodnego). Im większa objętość jeziora i im mniejsze hydrauliczne wejścia lub wyjścia, tym dłuższy będzie czas przebywania.

Czas przebywania w jeziorze może wahać się od kilku godzin lub dni do wielu lat. Jezioro Superior, na przykład, ma czas przebywania 184 lat. Jednak większość jezior ma czasy przebywania od kilku dni do kilku miesięcy.

Szybkość wypłukiwania jeziora określa, jak reaguje ono na wiele wpływów z atmosfery i jego działu wodnego.

Klasyfikacja troficzna

Klasyfikacja troficzna jeziora, lub ranking stopnia starzenia się jeziora, jest często klasyfikowana przy użyciu pewnego rodzaju ustalonego systemu oceny, który przypisuje punkty do pewnych cech jeziora (zawartość tlenu, biomasa glonów, materiał roślinny, przejrzystość, itp.) Ten system punktowy pozwala limnologowi przypisać określoną wartość dla każdej z kategorii systemu. Różni limnolodzy używają różnych systemów klasyfikacji, ale kategorie (oligotroficzne, mezotroficzne i eutroficzne) są takie same.

Jeśli jezioro posiadało bardzo wysoki poziom rozpuszczonego tlenu, wysoki odczyt przezroczystości, miało skąpy wzrost roślin naczyniowych i stosunkowo niski poziom wzrostu planktonu, jezioro byłoby sklasyfikowane jako oligotroficzne, lub „młode” jezioro.

Jeziora z niższym poziomem rozpuszczonego tlenu, płytkim odczytem przezroczystości, obfitymi naczyniowymi roślinami wodnymi i wysokim poziomem chlorofilu-a (oznaczającym wysoką populację planktonu) otrzymują więcej punktów i są określane jako „stare” lub eutroficzne.

Jezioro, które mieści się pomiędzy dwoma skrajnościami eutroficzne i oligotroficzne jest określane jako mezotroficzne. Ten etap rozwoju jeziora można najlepiej określić jako „średni wiek.”

Składniki odżywcze

Jeziora mogą cierpieć z powodu wielu wpływów ludzkiego rozwoju kulturowego, ale to składniki odżywcze, które kończą się w jeziorze, napędzają niektóre z krytycznych problemów w jakości wody jeziora.

Wszystkie rośliny potrzebują odpowiedniej równowagi istotnych głównych składników odżywczych, szczególnie fosforu, azotu i węgla. Potrzebują również światła. Zakładając, że światło jest łatwo dostępne, rośliny pobierają składniki odżywcze w proporcji, jakiej wymagają ich komórki. Składnik pokarmowy, którego podaż jest najmniejsza w stosunku do zapotrzebowania rośliny, ogranicza jej wzrost. Nazywa się to koncepcją ograniczającego składnika odżywczego. W niektórych częściach kraju wody są ograniczane przez azot, podczas gdy większość zbiorników wodnych jest ograniczana przez fosfor. Pierwiastki śladowe mogą być czasami ograniczające, ale w mniejszym stopniu.

Opracowanie budżetu składników odżywczych (analiza obciążenia) zapewnia wgląd w przyczyny eutrofizacji jeziora. Budżety składników odżywczych zależą od określenia ilości składnika odżywczego, który jest dostarczany przez źródła takie jak naturalny odpływ powierzchniowy, zanieczyszczenia niepunktowe, nieszczelne systemy septyczne, depozycja atmosferyczna, wody gruntowe i dzikie zwierzęta. Budżety składników odżywczych określają również ilość składników odżywczych traconych do systemu jeziornego przez odpływ i przez osadzanie się w osadach. Kwantyfikacja obciążenia składnikami odżywczymi wymaga oceny budżetu wodnego i określenia stężenia składnika odżywczego w każdym źródle wody. Tak więc ilość substancji odżywczych dostarczanych przez dopływ jest stężeniem razy objętość wody w jednostce czasu (przepływ). To się nazywa „obciążenie” dla składnika odżywczego i źródła jest kwantyfikowany.

Budżety składników odżywczych są powszechnie określane na dwa podstawowe sposoby: przez bezpośredni pomiar lub przez oszacowanie z różnych relacji empirycznych określonych w poprzednich badaniach.

Biologia

Bakterie: Chociaż nigdy nie widziane przez większość ludzi, bakterie odgrywają kluczową rolę w życiu jezior. Są one najbardziej liczną grupą organizmów w jeziorze i większość z nich jest krytyczna w przekształcaniu wszelkich materiałów organicznych w formę nieorganiczną.

Bakterie mogą pływać swobodnie w słupie wody, być przytwierdzone do podłoża lub w osadach. Wiele z nich jest tlenowych, wymagających tlenu do konwersji materiału organicznego do form nieorganicznych i energii. Wiele innych jest beztlenowych, wykorzystujących inne szlaki chemiczne do pozyskiwania energii.

Niektóre bakterie stwarzają problemy zdrowotne u ludzi lub okazały się użytecznymi wskaźnikami prawdopodobnej obecności zagrożeń dla zdrowia ludzkiego. Escherichia coli (E. coli) jest zwykle niewinną bakterią znajdującą się w naszych jelitach, ale jej obfitość w jeziorze wskazuje na obecność ścieków, szamba lub innych zanieczyszczeń kałowych i potencjał przenoszenia ludzkich chorób bakteryjnych i wirusowych.

Algi: Glony to w większości mikroskopijne rośliny, które mogą pływać swobodnie (fitoplankton) lub być przytwierdzone do podłoża (peryfiton). Mogą być jednokomórkowe lub mieć wiele komórek. W umiarkowanie bogatym jeziorze, w jednej łyżce stołowej wody może znajdować się prawie sto gatunków glonów. W jeziorze eutroficznym, w jednym galonie wody mogą znajdować się miliony komórek. Glony są podzielone na kilka głównych grup, w tym zielenice (Chlorophyta), złotobrązowe glony (Chrysophyta), dinoflagellaty (Pyrrophyta), okrzemki (Bacillariophyta) i sinice (Cyanophyta).

Każda z powyższych grup ma gatunki o cechach, które mogą pozwolić im stać się bardzo obfite i kłopotliwe. Czasami wiedza o tym, który gatunek „kwitnie” może pomóc w zrozumieniu przyczyny zakwitu. Na przykład, niektóre sinice często zakwitają przy dużej ilości fosforu i niskiej zawartości azotanów, ponieważ mogą one wiązać azot z rozpuszczonego powietrza. Często preferują one okres spokojnej wody, ponieważ unoszą się na powierzchni i w konsekwencji zacieniają konkurencyjne gatunki. Współwystępowanie tych warunków zwykle skutkuje pojawieniem się niebiesko-zielonych, ale brak jednego elementu może przesunąć równowagę na inny gatunek lub inną grupę glonów. Okrzemki preferują okresy silnego mieszania, chłodniejsze temperatury i większą dostępność krzemionki – warunki występujące podczas wiosennej i jesiennej rotacji. Wiele dinoflagellatów wydaje się preferować warunki z ponadprzeciętną ilością materiału organicznego.

Dynamika reżimów termicznych, świetlnych i odżywczych w jeziorach powoduje dość przewidywalny wzór w sezonowej sukcesji gatunków glonów, ale w każdej chwili mogą pojawić się niespodzianki. Zazwyczaj jednak, wiosenna i jesienna rotacja sprzyja okrzemkom, które mogą stać się bardzo obfite, ale zazwyczaj nie mają poważnego wpływu na użytkowanie przez ludzi, chociaż niektóre gatunki powodują problemy ze smakiem i zapachem w zbiornikach wody pitnej i mogą zatykać filtry. Po stratyfikacji termicznej zielone glony często stają się dominujące przez większość lata, gdy dostępny jest azot, ale mogą zostać zastąpione przez sinice w wyższych temperaturach, przy niższych stężeniach azotu i wysokim pH.

Makrofity wodne: W przeciwieństwie do glonów, które są zwykle mikroskopijnymi roślinami, są to duże rośliny wodne, łatwo widoczne gołym okiem. Glony i makrofity często konkurują o światło, więc rzadko zdarza się, aby oba te gatunki stanowiły problem w danym jeziorze, choć zdarza się to. Makrofity mogą być zakorzenione lub swobodnie pływające, choć większość z nich jest zakorzeniona. Mogą być również zanurzone, wynurzone lub o liściach pływających. Istnieje wiele grup taksonomicznych, ale powyższe kategorie są często najbardziej przydatne do zrozumienia przyczyn problemu z makrofitami i określenia odpowiedniej strategii zarządzania. W rzeczywistości, w obrębie każdej kategorii, wiele gatunków może wyglądać bardzo podobnie, ponieważ ich sposób wzrostu jest odpowiedzią na wspólne warunki panujące w jeziorze. Jednakże, nawet jeśli wiele gatunków makrofitów wydaje się podobnych, ich skłonność do powodowania problemów w jeziorach jest różna. Skuteczne zarządzanie makrofitami zwykle wymaga identyfikacji na poziomie gatunku.

Rośliny stanowią siedlisko i pożywienie dla wielu form życia zwierzęcego, począwszy od mikroskopijnych wrotków, które filtrują drobne glony, poprzez zooplankton, który poluje na większe glony, owady, aż po ryby i ssaki wodne, które zjadają nawet większe rośliny lub zwierzęta. Zmiana w każdej części tej sieci pokarmowej faluje w całym systemie w subtelny lub nawet dramatyczny sposób.

Dział wodny

Dział wodny może być najlepiej opisany jako lejek. Górna krawędź lejka to cechy geograficzne (wzgórza, góry), które wyznaczają granicę zlewni. Wnętrze leja, lub ściany leja, reprezentuje wszystkie grunty, które są w granicach wzgórz lub gór, które odwadnia do jeziora. Jezioro jest na dole lejka, otrzymując wszystkie wody, które płyną z tych wzgórz, przez ziemię, i do strumieni.

Watershed zawierają swój dom, samochód, praca, pole golfowe, centrum handlowe i wszystkie jego utwardzonych obszarów, system septyczny, myjnie samochodowe, boiska, piaskownice, i różne inne rodzaje użytkowania gruntów. Bez względu na to, jak daleko jesteś od wód powierzchniowych, czy można zobaczyć, że jezioro lub rzeka, czy nie, jesteś w dziale wodnym.

.