Bazele științei lacurilor

În cele ce urmează este o trecere în revistă a unor informații elementare legate de limnologie și de administrarea lacurilor care sunt importante de știut pentru a înțelege lacurile și imaginea de ansamblu a administrării lacurilor. Pentru informații mai detaliate, vă rugăm să vizitați Librăria NALMS, care are numeroase publicații despre limnologia generală și subiecte legate de lacuri.

Tipurile de bazin

Evenimentele care au avut loc pe sau sub suprafața Pământului cu mii de ani în urmă au format multe dintre lacurile noastre. Ca urmare, lacurile sunt, de obicei, concentrate în zone care au un număr mare de corpuri de apă. Cele mai multe lacuri pot fi găsite în emisfera nordică, unde zone mari au fost acoperite de formațiuni de gheață uriașe. La scara duratei de viață a oamenilor, lacurile par a fi caracteristici permanente ale peisajului nostru, dar în realitate ele sunt doar temporare din punct de vedere geologic. Ele sunt create, se maturizează (se umplu) și, în cele din urmă, dispar.

Originea bazinelor lacurilor și caracteristicile lor reflectă, în cele din urmă, evenimentele fizice, chimice și biologice care au loc în zona din jurul lor. Aceste evenimente joacă un rol important în modul în care lacul reacționează la activitățile din jur.

Lacurile glaciare: De departe, cei mai importanți agenți în formarea lacurilor sunt efectele catastrofale ale mișcărilor de gheață glaciară care au avut loc acum 10.000-12.000 de ani. Foițe gigantice de gheață și zăpadă sunt create în climatele în care zăpada cade, dar nu se topește. Ghețarii au acoperit o zonă de la Oceanul Atlantic până la Munții Stâncoși cu gheață înaltă de peste o milă. Deși acești ghețari s-au topit în cele din urmă, zece la sută din suprafața Pământului este în prezent acoperită de ghețari. Unii dintre acești ghețari pot fi încă văzuți în zonele muntoase din Statele Unite și Canada.

În timp ce un ghețar se deplasează înainte și înapoi pe uscat, răzuind vârfurile dealurilor și falezelor și luând cu el roci, se formează lacuri. Materialul preluat de ghețar este ulterior abandonat în alte locuri. Această mișcare de du-te-vino și de oprire a ghețarilor modifică permanent peisajul. Această mișcare creează mai multe forme de relief importante. Când ghețarul se oprește, lasă în urmă grămezi de roci și materiale pe care le-a transportat de-a lungul timpului, numite morene. Acestea blochează râurile și pârâurile mai mici pentru a forma lacuri. Uneori, blocuri uriașe de gheață se desprind și sunt acoperite de nisip și pietriș. Când gheața se topește, nisipul și pietrișul se prăbușesc, lăsând în urmă o gaură mare. Aceste cuve pot forma mlaștini sau lacuri mari. Pe măsură ce masa mare de gheață se topește, se formează râuri sub ghețari.

Lacuri de dizolvare: Lacurile se pot forma atunci când depozitele subterane de roci solubile sunt dizolvate de apa care trece prin zonă, făcând o depresiune în sol. Formațiunile stâncoase alcătuite din clorură de sodiu (sare), sau carbonat de calciu (calcar), sunt cel mai probabil să fie dizolvate de apele acide. Odată ce apele subterane au dizolvat rocile de sub suprafață, partea superioară a terenului se prăbușește, formând de obicei un lac de formă rotundă, numit lac de soluție. În mod obișnuit, depresiunile sunt suficient de adânci pentru a se extinde sub nivelul pânzei freatice și sunt umplute permanent cu apă. Lacurile de soluție sunt frecvente în Michigan, Indiana, Kentucky și mai ales în Florida.

Lacurile de oxigen: Fluxul de apă din râuri are o mare cantitate de energie și forță de eroziune care poate crea bazine lacustre. Pe măsură ce un râu șerpuiește pe suprafața pământului, o cantitate mai mare de eroziune are loc pe cotul exterior al râului, unde fluxul de apă este cel mai rapid. Materialele transportate de râu se depun pe porțiunea interioară a cotului, unde curenții sunt mai reduși. Pe măsură ce trece timpul, eroziunea continuă și mai multe materiale sunt lăsate deoparte până când meandrul în formă de U al râului se închide. Cursul principal al râului taie un nou canal până la capătul interior al meandrului. Lacurile Oxbow au de obicei forma literei C.

Lacuri create de om sau de animale: Multe lacuri mici din America de Nord au fost formate de activitățile castorului american. Bețele, plantele acvatice și noroiul sunt folosite pentru a construi baraje peste cursurile mici de apă pentru a forma un baraj de retenție a apei. Aceste iazuri sunt de obicei foarte puțin adânci și sunt bogate în nutrienți și viață vegetală. Oamenii au construit lacuri artificiale (rezervoare) pentru a furniza apă potabilă publicului, pentru a furniza energie, pentru a ajuta la navigație, pentru a asigura controlul inundațiilor și în scopuri recreative. Aceste rezervoare sunt de obicei bine proiectate de oameni pentru a reține o anumită cantitate de apă cu ajutorul barajelor.

Lacuri vulcanice: Uneori, evenimentele dezastruoase asociate cu activitatea vulcanică formează bazine lacustre. Formarea lacurilor vulcanice poate avea loc în diferite moduri. Pe măsură ce materialul vulcanic, inclusiv magma, este evacuat din vulcan, se formează depresiuni sau cavități goale în interiorul vulcanului. Unele dintre aceste depresiuni nu se pot scurge și devin găuri sigilate în partea superioară a vulcanului. În cele din urmă, precipitațiile și scurgerile umplu depresiunea cu apă și se formează un nou lac.

Lacurile care se formează în craterele vulcanilor, sau lacurile de crater, sunt mai frecvente în zonele care sunt supuse activității vulcanice. Lacurile formate prin prăbușirea acoperișului unei camere magmatice parțial goale sunt denumite caldere. Unul dintre cele mai spectaculoase lacuri formate în acest mod este Crater Lake din Oregon. Crater Lake este al șaptelea cel mai adânc lac din lume, cu o adâncime maximă de 608 m (2006 ft). Bazinele vulcanice, precum Lacul Crater, au de obicei o formă foarte rotundă. Curgerile de lavă rezultate din activitatea vulcanică pot forma, de asemenea, lacuri. Lava de la suprafață se răcește și devine solidă, în timp ce interiorul curgerii de lavă rămâne suficient de fierbinte pentru a continua să se miște. În cele din urmă, suprafața de lavă întărită se prăbușește, formând o depresiune. Aceste depresiuni se umplu în cele din urmă cu apă pentru a forma lacuri mai mici. De asemenea, fluxurile de lavă curg în văile râurilor existente și se solidifică pentru a forma un baraj. Această masă solidă de rocă refulează apa râului într-un nou lac.

Lacuri de alunecare de teren: Cantitățile mari de materiale care cad de pe versanții văilor abrupte în fundul văilor de râu pot provoca baraje care creează noi lacuri. Astfel de alunecări de teren apar de obicei ca urmare a unor evenimente meteorologice anormale, cum ar fi ploile excesive care acționează asupra unui versant instabil. Barajele de alunecare de teren pot fi rezultatul unor căderi de pietre, curgeri de noroi sau chiar alunecări de gheață. Lacurile formate de alunecările de teren sunt, de obicei, doar temporare, deoarece pot fi susceptibile de a fi erodate de debitul râului sau al pârâului. Dacă barajul este foarte mare, lacul poate deveni permanent.

Lacuri tectonice: Bazinele tectonice sunt depresiuni formate de mișcările scoarței terestre din adâncul pământului. Principalele tipuri de bazine tectonice se formează în urma unor falii. O depresiune se formează atunci când o secțiune slabă a scoarței terestre se separă, rezultând un cutremur. Precipitațiile și apele subterane se pot aduna în această depresiune, formând un lac. Acest tip de bazin este denumit graben și reprezintă modul de origine a unui număr mare dintre cele mai spectaculoase lacuri relicve din lume, care conțin un număr mare de specii de plante și animale indigene. Cel mai adânc lac din lume, Lacul Baikal din Siberia, s-a format în urma unei activități tectonice. În Statele Unite, Lacul Tahoe din California și Nevada s-a format prin activitate tectonică.

Formarea unui lac și structura și forma, sau morfologia, bazinului lacului afectează modul în care funcționează lacul în toate etapele vieții sale. Caracteristici cum ar fi lungimea, lățimea, adâncimea, suprafața și volumul lacului sunt toate importante pentru modul în care calitatea apei lacului poate fi afectată de modificări ale terenului. Pe măsură ce oamenii dezvoltă terenul din jurul lacului, ei perturbă solurile, schimbă copacii cu alei sau acoperișuri și înlocuiesc vegetația naturală. Aceste schimbări au ca rezultat un flux crescut de scurgere de suprafață și o creștere a cantității de nutrienți în lac. Structura lacului dictează modul în care lacul va reacționa la aceste schimbări culturale din terenurile din jur. Cunoașterea morfologiei lacului și a modului în care s-a format lacul sunt instrumente importante folosite de oamenii de știință pentru a ajuta la protejarea lacurilor noastre împotriva poluanților care le pot deteriora sănătatea.

Mixturare și stratificare

Structura termică a lacurilor ajută la determinarea productivității și a ciclului nutrienților. Structura termică a lacurilor este determinată de mai mulți factori. Lacurile primesc marea majoritate a căldurii lor la suprafață de la încălzirea solară. Deoarece apa mai caldă plutește, coloana de apă trebuie să aibă un aport de energie pentru a amesteca această căldură mai adânc, iar în majoritatea lacurilor, vântul furnizează această energie.

Un lac care este complet protejat de vânt va avea un strat foarte cald, dar puțin adânc, la suprafață, cu apă rece dedesubt. Un lac expus la vânturi puternice va avea un strat superior mai rece, dar mai gros, suprapus peste apa mai rece. Lacurile mai adânci pot forma o structură cu trei straturi care, pe tot parcursul verii, constă dintr-un strat superior cald (epilimnionul), un strat de tranziție intermediar (metalimnionul, în interiorul căruia punctul de cea mai mare schimbare verticală a temperaturii se numește termoclin) și un strat inferior mai rece (hipolimnionul).

Structura termică a unui lac nu este constantă pe tot parcursul anului. Începând cu ieșirea la gheață la începutul primăverii (cu condiția ca lacul dumneavoastră să înghețe), toată apa lacului, de sus până jos, are aproape aceeași temperatură; diferența de densitate este mică și apa este ușor de amestecat de către vânturile de primăvară. Odată cu încălzirea zilelor, diferența dintre temperatura apei de la suprafață și cea de la fund crește până când apare stratificarea, dacă adâncimea lacului este suficientă. În cele din urmă, încălzirea solară scade pe măsură ce ne îndreptăm spre anotimpuri mai reci, iar stratul superior începe să se răcească și să se scufunde. În cele din urmă, toamna, lacul are o temperatură similară de sus până jos. În timpul iernii, se formează gheață la suprafață și se creează o nouă stratificare inversă (apă rece peste apă rece), care persistă până în primăvară. Gradul de stratificare este important pentru ciclul nutrienților, variabilitatea oxigenului în apele mai adânci, mișcarea apei care intră în lac și tipurile de organisme acvatice care trăiesc în lac.

Flushing

Timp mediu necesar pentru a reînnoi complet volumul de apă al unui lac (volumul lacului împărțit la debitul de ieșire) se numește timp de rezidență hidraulică sau rata de spălare. Timpul de rezidență hidraulică este o funcție a volumului de apă care intră sau iese din lac în raport cu volumul lacului (adică, bugetul de apă). Cu cât volumul lacului este mai mare și cu cât intrările sau ieșirile hidraulice sunt mai mici, cu atât mai lung va fi timpul de rezidență.

Timpurile de rezidență ale lacurilor pot varia de la câteva ore sau zile până la mulți ani. Lacul Superior, de exemplu, are un timp de rezidență de 184 de ani. Cu toate acestea, majoritatea lacurilor au, de obicei, timpi de rezidență de câteva zile până la câteva luni.

Rata de spălare a unui lac va determina modul în care acesta răspunde la numeroasele intrări din atmosferă și din bazinul său hidrografic.

Clasificarea trofică

Clasificarea trofică a lacurilor, sau clasificarea gradului de îmbătrânire a lacului, este adesea clasificată folosind un anumit tip de sistem de clasificare stabilit care atribuie puncte anumitor caracteristici ale lacului (conținut de oxigen, biomasă algală, material vegetal, claritate, etc.). Acest sistem de puncte permite unui limnolog să atribuie o anumită valoare pentru fiecare dintre categoriile de sisteme. Diferiți limnologi folosesc sisteme de clasificare diferite, dar categoriile (oligotrofic, mezotrofic și eutrofic) sunt aceleași.

Dacă un lac posedă niveluri foarte ridicate de oxigen dizolvat, o citire ridicată a transparenței, are o creștere rară a plantelor vasculare și niveluri relativ scăzute de creștere a planctonului, lacul va fi clasificat ca oligotrofic, sau un lac „tânăr”.

Lacurile cu niveluri mai scăzute de oxigen dizolvat, o citire a transparenței puțin adâncă, plante acvatice vasculare abundente și niveluri ridicate de clorofilă-a (semnificând populații mari de plancton) primesc mai multe puncte și sunt denumite „îmbătrânite” sau eutrofe.

Un lac care se situează între cele două extreme de eutrofic și oligotrofic este denumit mezotrofic. Acest stadiu de dezvoltare a lacului poate fi cel mai bine denumit „de vârstă mijlocie.”

Nutrienți

Lacurile pot suferi din cauza multor efecte ale dezvoltării culturale umane, dar nutrienții care ajung în lac sunt cei care determină unele dintre problemele critice ale calității apei lacurilor.

Toate plantele au nevoie de un echilibru adecvat al principalilor nutrienți esențiali, în special fosfor, azot și carbon. Ele au nevoie, de asemenea, de lumină. Presupunând că lumina este ușor disponibilă, plantele absorb nutrienții în proporția de care celulele lor au nevoie. Elementul nutritiv care este cel mai puțin abundent în raport cu nevoile plantei va limita creșterea plantelor. Acest lucru se numește conceptul de nutrient limitativ. Unele părți ale țării au ape care sunt limitate de azot, în timp ce majoritatea corpurilor de apă sunt limitate de fosfor. Oligoelementele pot fi uneori limitative, dar într-o măsură mai mică.

Dezvoltarea unui buget de nutrienți (analiza încărcării) oferă o perspectivă asupra cauzelor eutrofizării lacurilor. Bugetele de nutrienți depind de determinarea cantităților unui nutrient care sunt furnizate de surse cum ar fi scurgerile naturale de suprafață, poluarea din surse nepunctice, sistemele septice cu scurgeri, depunerile atmosferice, apele subterane și animalele sălbatice. Bugetele de nutrienți determină, de asemenea, cantitatea de nutrienți pierdută în sistemul lacului prin scurgere și prin depunere în sedimente. Cuantificarea încărcăturii de nutrienți necesită evaluarea bugetului de apă și determinarea concentrației nutrienților în fiecare sursă de apă. Astfel, cantitatea de nutrienți furnizată de un afluent este reprezentată de concentrația înmulțită cu volumul de apă pe unitate de timp (debitul). Aceasta se numește „încărcătură” pentru nutrientul și sursa care se cuantifică.

Birourile de nutrienți sunt determinate în mod obișnuit în două moduri principale: prin măsurare directă sau prin estimare din diverse relații empirice determinate în studii anterioare.

Biologie

Bacterii: Deși nu sunt văzute niciodată de majoritatea oamenilor, bacteriile joacă un rol esențial în viața lacurilor. Ele sunt cel mai abundent grup de organisme dintr-un lac și cele mai multe dintre ele sunt esențiale în transformarea oricărei materii organice în formă anorganică.

Bacteriile pot pluti liber în coloana de apă, pot fi atașate de un substrat sau în sedimente. Multe dintre ele sunt aerobe, având nevoie de oxigen pentru transformarea materiei organice în forme anorganice și pentru energie. Multe altele sunt anaerobe, folosind alte căi chimice pentru a obține energie.

Câteva bacterii creează probleme de sănătate umană sau s-au dovedit a fi indicatori utili ai prezenței probabile a unor amenințări la adresa sănătății umane. Escherichia coli (E. coli) este, de obicei, o bacterie inofensivă care se găsește în intestinele noastre, dar abundența sa într-un lac indică ape uzate, intrări septice sau alți contaminanți fecali și potențialul de transfer de boli bacteriene și virale umane.

Alge: Algele sunt în mare parte plante microscopice care pot pluti liber (fitoplancton) sau pot fi atașate la un substrat (perifiton). Ele pot fi unicelulare sau pot avea mai multe celule. Într-un lac moderat de bogat, pot exista aproape o sută de specii de alge într-o lingură de apă de lac. Într-un lac eutrofic, pot exista milioane de celule într-un galon de apă. Algele sunt împărțite în mai multe grupe majore, inclusiv algele verzi (Chlorophyta), algele maro-aurii (Chrysophyta), dinoflagelatele (Pyrrophyta), diatomeele (Bacillariophyta) și algele verzi-albastre (Cyanophyta).

Care dintre grupele de mai sus are specii cu caracteristici care le pot permite să devină foarte abundente și supărătoare. Uneori, cunoașterea speciei care este în „înflorire” poate ajuta la înțelegerea cauzei înfloriturii. De exemplu, anumite alge albastre-verzi înfloresc adesea atunci când fosforul este abundent și nitrații sunt puțini, deoarece acestea pot fixa azotul din aerul dizolvat. Ele preferă adesea o perioadă de apă calmă, deoarece plutesc și, prin urmare, umbresc speciile concurente. Concurența acestor condiții va duce, de obicei, la apariția algelor albastre-verzi, dar absența unui element poate schimba balanța în favoarea unei alte specii sau a unui alt grup de alge. Diatomeele tind să prefere perioadele cu un amestec ridicat, temperaturi mai scăzute și o disponibilitate mai mare de siliciu – condiții întâlnite în timpul rotației de primăvară și de toamnă. Multe dinoflagelate par să prefere condițiile cu materie organică peste medie.

Dinamica regimurilor termice, de lumină și de nutrienți din lacuri determină un model destul de previzibil în succesiunea sezonieră a speciilor de alge, dar pot exista surprize în orice moment. De obicei, însă, rotația de primăvară și de toamnă favorizează diatomeele, care pot deveni foarte abundente, dar care, de obicei, nu au un impact grav asupra utilizării umane, deși unele specii cauzează probleme de gust și miros în rezervoarele de apă potabilă și pot colmata filtrele. După stratificarea termică, algele verzi devin adesea dominante în cea mai mare parte a verii, atunci când azotul este disponibil, dar pot fi înlocuite de algele verzi-albastre la temperaturi mai ridicate, concentrații mai mici de azot și pH ridicat.

Macrofite acvatice: Spre deosebire de alge care sunt de obicei plante microscopice, acestea sunt plante acvatice mari, ușor vizibile cu ochiul liber. Algele și macrofitele concurează adesea pentru lumină, astfel încât este neobișnuit să le găsim pe amândouă ca probleme într-un anumit lac, deși se întâmplă. Macrofitele pot fi înrădăcinate sau plutitoare, deși majoritatea sunt înrădăcinate. Ele pot fi, de asemenea, submersibile, emergente sau cu frunze plutitoare. Există multe grupuri taxonomice, dar categoriile de mai sus sunt adesea cele mai utile pentru a înțelege cauzele unei probleme cu macrofite și pentru a determina o strategie de gestionare adecvată. De fapt, în cadrul fiecărei categorii, multe specii pot arăta foarte asemănătoare, deoarece obiceiul lor de creștere răspunde la condițiile comune ale lacului. Cu toate acestea, chiar dacă multe specii de macrofite par similare, propensiunea lor de a cauza probleme în lacuri variază. Gestionarea eficientă a macrofitelor necesită, de obicei, identificarea la nivel de specie.

Plantele oferă habitat și hrană pentru multe forme de viață animală, de la rotiferele microscopice care filtrează algele minuscule, la zooplanctonul care vânează algele mai mari, la insecte, la pești și mamifere acvatice care mănâncă chiar și plante sau animale mai mari. O schimbare în orice parte a acestei rețele alimentare se răsfrânge asupra întregului sistem în moduri subtile sau chiar dramatice.

Bazinul hidrografic

Un bazin hidrografic poate fi descris cel mai bine ca o pâlnie. Marginea superioară a pâlniei este reprezentată de caracteristicile geografice (dealuri, munți) care marchează limita unui bazin hidrografic. Interiorul pâlniei, sau pereții pâlniei, reprezintă tot terenul care se află în limita dealurilor sau a munților care se scurge în lac. Lacul se află în partea de jos a pâlniei, primind toată apa care curge dinspre acele vârfuri de dealuri, traversează terenul și se varsă în cursurile de apă.

Bazinul hidrografic conține casa, mașina, locul de muncă, terenul de golf, centrul comercial și toate zonele sale asfaltate, sistemul septic, spălătoriile auto, terenurile de baseball, gropile de nisip și diverse alte tipuri de utilizare a terenului. Indiferent cât de departe vă aflați de o apă de suprafață, indiferent dacă puteți vedea sau nu acel lac sau râu, vă aflați într-un bazin hidrografic.

.