Nedan följer en översikt över grundläggande information om limnologi och sjöförvaltning som är viktig att känna till för att förstå sjöar och den stora bilden av sjöförvaltning. För mer detaljerad information kan du besöka NALMS Bookstore, som har många publikationer om allmän limnologi och sjörelaterade ämnen.
Bassintyper
Händelser som inträffade på eller under jordens yta för tusentals år sedan bildade många av våra sjöar. Som ett resultat av detta är sjöar vanligtvis koncentrerade till områden som har ett stort antal vattenförekomster. De flesta sjöar finns på det norra halvklotet, där stora områden täcktes av enorma isformationer. På en skala som motsvarar människans livslängd verkar sjöar vara permanenta inslag i vårt landskap, men de är egentligen bara geologiskt sett tillfälliga. De skapas, mognar (fylls ut) och försvinner så småningom.
Sjöarnas ursprung och deras egenskaper återspeglar i slutändan de fysiska, kemiska och biologiska händelser som äger rum i det område som omger dem. Dessa händelser spelar en viktig roll för hur sjön reagerar på omgivande aktiviteter.
Glaciala sjöar: De överlägset viktigaste agenterna i bildandet av sjöar är de katastrofala effekterna av glaciala isrörelser som inträffade för 10 000 till 12 000 år sedan. Gigantiska is- och snöplattor skapas i klimat där snö faller men inte smälter. Glaciärerna täckte ett område från Atlanten till Klippiga bergen med is som var mer än en mil hög. Även om dessa glaciärer så småningom smälte är tio procent av jorden för närvarande täckt av glaciärer. Några av dessa glaciärer kan fortfarande ses i bergsområdena i USA och Kanada.
När en glaciär rör sig fram och tillbaka över landet, skrapar av toppen på kullar och klippor och tar med sig stenar, bildas sjöar. Det material som glaciären tar upp släpps senare av på andra platser. Glaciärernas fram- och återgående rörelse förändrar permanent landskapet. Denna rörelse skapar flera viktiga landformer. När glaciären stannar lämnar den efter sig högar av stenar och material som den burit med sig över tiden, så kallade moräner. Dessa dämmer upp floder och mindre vattendrag och bildar sjöar. Ibland bryts stora isblock av och täcks av sand och grus. När isen smälter faller sanden och gruset in och lämnar ett stort hål efter sig. Dessa kotar kan bilda stora kärr eller sjöar. När den stora ismassan smälter bildas floder under glaciärerna.
Lösningssjöar: Sjöar kan bildas när underjordiska avlagringar av lösliga bergarter löses upp av vatten som rinner genom området och skapar en fördjupning i marken. Bergsformationer av natriumklorid (salt) eller kalciumkarbonat (kalksten) löser sannolikt upp av surt vatten. När grundvattnet har löst upp bergarterna under ytan, faller markens översta del in och bildar vanligen en rund formad sjö, en så kallad lösningssjö. Vanligtvis är sänkorna tillräckligt djupa för att sträcka sig under grundvattennivån och är permanent fyllda med vatten. Lösningssjöar är vanliga i Michigan, Indiana, Kentucky och särskilt i Florida.
Oxbågssjöar: Vattenflödet från floder har mycket energi och erosionskraft som kan skapa sjöbassänger. När en flod slingrar sig över jordytan sker en större mängd erosion i den yttre flodkröken, där vattenflödet är snabbast. De material som floden bär med sig avlagras på den inre delen av kröken, där strömmarna är mindre. Med tiden fortsätter erosionen och mer material lämnas kvar tills flodens U-formade meander stängs. Flodens huvudfåra skär en ny kanal till den inre delen av meandern. Oxbågssjöar är vanligtvis formade som bokstaven C.
Mänskliga eller animaliska sjöar: Många små sjöar i Nordamerika har bildats av den amerikanska bävern. Pinnar, vattenväxter och lera används för att bygga dammar över små vattendrag för att bilda en uppdämning av vattnet. Dessa dammar är vanligtvis mycket grunda och är rika på näringsämnen och växtliv. Människan har byggt konstgjorda sjöar (reservoarer) för att förse allmänheten med dricksvatten, för att tillhandahålla energi, för att underlätta sjöfarten, för att kontrollera översvämningar och för rekreationsändamål. Dessa reservoarer är vanligtvis väl konstruerade av människor för att hålla tillbaka en viss mängd vatten med hjälp av dammar.
Vulkaniska sjöar: Ibland bildar katastrofala händelser i samband med vulkanisk aktivitet sjöbassänger. Bildandet av vulkaniska sjöar kan ske på olika sätt. När vulkaniskt material, inklusive magma, släpps ut ur vulkanen bildas tomma fördjupningar eller håligheter i vulkanen. Vissa av dessa fördjupningar kan inte dräneras och blir till slutna hål ovanpå vulkanen. Regn och avrinning fyller så småningom fördjupningen med vatten och en ny sjö bildas.
Sjöar som bildas i vulkaners kratrar, eller kraterlakar, är vanligare i områden som är utsatta för vulkanisk aktivitet. Sjöar som bildas genom att taket på en delvis tom magmatisk kammare rasar in kallas kalderor. En av de mest spektakulära sjöarna som bildats på detta sätt är Crater Lake i Oregon. Crater Lake är den sjunde djupaste sjön i världen med ett maximalt djup på 608 m (2006 fot). Vulkaniska bassänger, som Crater Lake, är vanligtvis mycket runda till formen. Lavaflöden från vulkanisk aktivitet kan också bilda sjöar. Lavan på ytan svalnar och blir fast, medan insidan av lavaströmmen förblir tillräckligt varm för att fortsätta att röra sig. Så småningom kollapsar ytan av den härdade lavan och bildar en sänka. Dessa sänkor fylls så småningom med vatten och bildar mindre sjöar. Lavaströmmar flyter också in i befintliga floddalar och stelnar till en damm. Denna fasta bergsmassa stänger upp flodvattnet till en ny sjö.
Landskredssjöar: Stora mängder material som faller från sidorna av branta dalar ner i bottnarna av bäckdalar kan orsaka dammar som skapar nya sjöar. Sådana jordskred uppstår vanligen till följd av onormala meteorologiska händelser, t.ex. överdrivet regn som verkar på en instabil sluttning. Jordskredsdammar kan vara ett resultat av stenfall, slamströmmar eller till och med isskred. Sjöar som bildas av jordskred är vanligtvis bara tillfälliga eftersom de kan vara känsliga för erosion genom flod- eller vattendragets flöde. Om dammen är mycket stor kan sjön bli permanent.
Tektoniska sjöar: Tektoniska bassänger är fördjupningar som bildas av jordskorpans rörelser djupt under jorden. De viktigaste typerna av tektoniska bassänger bildas genom förskjutningar. En sänka bildas när en svag del av jordskorpan separeras, vilket resulterar i en jordbävning. Regn- och grundvatten kan samlas i denna sänka och bilda en sjö. Denna typ av bassäng kallas graben och är ursprungssättet för ett stort antal av de mest spektakulära reliktsjöarna i världen som innehåller ett stort antal inhemska växt- och djurarter. Världens djupaste sjö, Bajkalsjön i Sibirien, bildades genom tektonisk aktivitet. I USA bildades Lake Tahoe i Kalifornien och Nevada av tektonisk aktivitet.
En sjös bildning och sjöbassängens struktur och form, eller morfologi, påverkar hur sjön fungerar under hela sitt livsskede. Egenskaper som sjöns längd, bredd, djup, area och volym är alla viktiga för hur sjöns vattenkvalitet kan påverkas av förändringar i landskapet. När människor utvecklar marken runt sjön stör de marken, byter ut träd mot uppfarter eller hustak och ersätter den naturliga vegetationen. Dessa förändringar resulterar i ett ökat flöde av ytavrinning och en ökad mängd näringsämnen till sjön. Sjöns struktur dikterar hur sjön kommer att reagera på dessa kulturella förändringar i de omgivande markerna. Kunskap om sjöns morfologi och hur sjön bildades är viktiga verktyg som används av forskare för att skydda våra sjöar från föroreningar som kan försämra deras hälsa.
Blandning och skiktning
Sjöars termiska struktur bidrar till att bestämma produktivitet och näringscykling. Sjöns termiska struktur bestäms av flera faktorer. Sjöar får den stora majoriteten av sin värme vid ytan från solvärme. Eftersom varmare vatten flyter måste vattenpelaren ha en energitillförsel för att blanda värmen djupare, och i de flesta sjöar ger vinden den energin.
En sjö som är helt skyddad från vinden kommer att ha ett mycket varmt men grunt skikt vid ytan med kallt vatten under. En sjö som utsätts för starka vindar kommer att ha ett kallare men tjockare övre skikt som ligger över det kallare vattnet. Djupare sjöar kan bilda en treskiktsstruktur som under hela sommaren består av ett övre varmt skikt (epilimnion), ett mellanliggande övergångsskikt (metalimnion, inom vilket punkten för den största vertikala temperaturförändringen kallas termoklinen) och ett kallare bottenskikt (hypolimnion).
En sjös termiska struktur är inte konstant under hela året. Från och med islossningen tidigt på våren (förutsatt att din sjö är isbelagd) har hela sjöns vatten, från topp till botten, nästan samma temperatur; densitetsskillnaden är liten och vattnet blandas lätt av vårvindarna. Med varmare dagar ökar skillnaden mellan temperaturen i yt- och bottenvattnet tills det uppstår skiktning om sjödjupet är tillräckligt stort. Så småningom avtar solvärmen när vi går in i svalare årstider, och det övre skiktet börjar svalna och sjunka. På hösten har sjön slutligen en liknande temperatur från toppen till botten. På vintern bildas is på ytan och en ny, omvänd skiktning (kallt över kallt vatten) skapas och kvarstår fram till våren. Graden av skiktning är viktig för kretsloppet av näringsämnen, variationen i syre i djupare vatten, rörelsen av inkommande vatten genom sjön och typerna av vattenlevande organismer som lever i sjön.
Spolning
Den genomsnittliga tid som krävs för att helt förnya en sjös vattenvolym (sjövolym dividerad med utflödeshastighet) kallas hydraulisk uppehållstid eller spolningshastighet. Den hydrauliska uppehållstiden är en funktion av den vattenvolym som kommer in i eller ut ur sjön i förhållande till sjöns volym (dvs. vattenbudgeten). Ju större sjövolymen är och ju mindre de hydrauliska inflödena eller utflödena är, desto längre blir uppehållstiden.
Sjöns uppehållstid kan variera från några timmar eller dagar till många år. Lake Superior har till exempel en uppehållstid på 184 år. De flesta sjöar har dock vanligtvis en uppehållstid på dagar till månader.
Sjöns spolningshastighet avgör hur den reagerar på många tillskott från atmosfären och dess avrinningsområde.
Trofisk klassificering
Sjöns trofiska klassificering, eller rangordning av graden av sjöns åldrande, klassificeras ofta med hjälp av någon typ av etablerat klassificeringssystem som tilldelar poäng till vissa egenskaper hos sjön (syrehalt, algbiomassa, växtmaterial, klarhet, etc.). Detta poängsystem gör det möjligt för en limnolog att tilldela ett visst värde för var och en av systemets kategorier. Olika limnologer använder olika klassificeringssystem, men kategorierna (oligotrofa, mesotrofa och eutrofa) är desamma.
Om en sjö hade mycket höga halter av löst syre, en hög transparensavläsning, hade sparsam kärlväxttillväxt och relativt låga halter av planktontillväxt, skulle sjön klassificeras som oligotrof, eller en ”ung” sjö.
Sjöar med lägre halter av löst syre, låg genomskinlighet, rikligt med kärlväxter och höga halter av klorofyll-a (vilket innebär höga planktonpopulationer) får fler poäng och betecknas som ”gamla” eller eutrofa.
En sjö som ligger mellan de två ytterligheterna eutrofa och oligotrofa betecknas som mesotrofa. Detta stadium av sjöns utveckling kan bäst kallas ”medelålders”.
Näringsämnen
Sjöar kan drabbas av många effekter av mänsklig kulturell utveckling, men det är de näringsämnen som hamnar i sjön som driver några av de kritiska problemen med sjöns vattenkvalitet.
Alla växter behöver en lämplig balans av de viktiga huvudnäringsämnena, särskilt fosfor, kväve och kol. De behöver också ljus. Under förutsättning att ljuset är lättillgängligt tar växterna upp näringsämnen i den proportion som deras celler behöver. Det näringsämne som har minst tillgång i förhållande till växtens behov kommer att begränsa växternas tillväxt. Detta kallas begreppet begränsande näringsämne. I vissa delar av landet finns det vatten som begränsas av kväve, medan de flesta vattenförekomster begränsas av fosfor. Spårämnen kan ibland vara begränsande, men i mindre utsträckning.
Utvecklingen av en näringsbudget (belastningsanalys) ger insikt i orsakerna till eutrofiering av sjöar. Näringsbudgetar är beroende av att man fastställer de mängder av ett näringsämne som tillförs av källor som naturlig ytavrinning, föroreningar från andra källor än punktutsläpp, läckande septiktankar, atmosfäriskt nedfall, grundvatten och vilda djur och växter. Näringsbudgetar fastställer också den mängd näringsämnen som förloras till sjösystemet genom utflöde och genom deponering i sedimenten. För att kvantifiera näringsbelastningen krävs en bedömning av vattenbudgeten och en bestämning av koncentrationen av näringsämnet i varje vattenkälla. Mängden näringsämnen som tillförs från ett biflöde är således koncentrationen gånger vattenvolymen per tidsenhet (flödet). Detta kallas ”belastning” för det näringsämne och den källa som ska kvantifieras.
Näringsämnesbudgetar bestäms vanligen på två primära sätt: genom direkt mätning eller genom uppskattning från olika empiriska relationer som fastställts i tidigare studier.
Biologi
Bakterier: Även om de flesta människor aldrig ser bakterier spelar de en central roll i livet i sjöar. De är den vanligaste organismgruppen i en sjö och de flesta av dem är avgörande för att omvandla organiskt material till oorganisk form.
Bakterier kan flyta fritt i vattenpelaren, vara knutna till ett substrat eller i sedimenten. Många är aeroba och behöver syre för att omvandla organiskt material till oorganiska former och energi. Många andra är anaeroba och använder andra kemiska vägar för att få energi.
Vissa bakterier skapar hälsoproblem för människor eller har visat sig vara användbara indikatorer på sannolik förekomst av hot mot människors hälsa. Escherichia coli (E. coli) är vanligtvis en ofarlig bakterie som finns i våra tarmar, men dess överflöd i en sjö tyder på avloppsvatten, septisk inmatning eller andra fekala föroreningar och potentiell överföring av bakterie- och virussjukdomar till människor.
Alger: Alger är mestadels mikroskopiska växter som kan flyta fritt (fytoplankton) eller vara knutna till ett substrat (perifyton). De kan vara encelliga eller ha många celler. I en måttligt rik sjö kan det finnas nästan hundra arter av alger i en matsked sjövatten. I en eutrof sjö kan det finnas miljontals celler i en liter vatten. Alger delas in i flera huvudgrupper, bland annat grönalger (Chlorophyta), guldbruna alger (Chrysophyta), dinoflagellater (Pyrrophyta), kiselalger (Bacillariophyta) och blågrönalger (Cyanophyta).
Varje grupp ovan har arter med egenskaper som gör att de kan bli mycket rikliga och besvärliga. Ibland kan det hjälpa att förstå orsaken till blomningen om man vet vilken art som är i ”blomning”. Vissa blågrönalger blommar till exempel ofta när det finns mycket fosfor och lite nitrat, eftersom de kan binda kväve från den lösta luften. De föredrar ofta perioder med lugnt vatten eftersom de flyter och därmed skuggar konkurrerande arter. Om dessa förhållanden sammanfaller resulterar det vanligtvis i blågröna alger, men avsaknaden av ett element kan förskjuta balansen till förmån för en annan art eller en annan alggrupp. Kiselalgerna tenderar att föredra perioder med hög omblandning, svalare temperaturer och högre tillgång på kiselalger – förhållanden som återfinns vid vår- och höstskiftet. Många dinoflagellater verkar föredra förhållanden med över genomsnittligt organiskt material.
Dynamiken i värme-, ljus- och näringsregimerna i sjöar ger upphov till ett ganska förutsägbart mönster i den säsongsmässiga successionen av algarter, men det kan alltid uppstå överraskningar. Typiskt sett gynnar dock vår- och höstomsättningen kiselalgerna som kan bli mycket rikliga men som vanligtvis inte har någon allvarlig inverkan på människans användning, även om vissa arter orsakar smak- och luktproblem i dricksvattenreservoarer och kan täppa till filter. Efter termisk skiktning blir grönalger ofta dominerande under större delen av sommaren när kväve finns tillgängligt, men de kan ersättas av blågrönalger vid högre temperaturer, lägre kvävekoncentrationer och högt pH.
Aquatiska makrofyter: I motsats till alger som vanligtvis är mikroskopiska växter är dessa stora vattenväxter som är lätta att se med blotta ögat. Alger och makrofyter konkurrerar ofta om ljuset, så det är ovanligt att båda är problem i en viss sjö, även om det händer. Makrofyter kan vara rotade eller fritt flytande, även om de flesta är rotade. De kan också vara submergerande, emergerande eller flytande blad. Det finns många taxonomiska grupper, men ovanstående kategorier är ofta de mest användbara för att förstå orsakerna till ett makrofytproblem och fastställa en lämplig förvaltningsstrategi. Faktum är att många arter inom varje kategori kan se väldigt lika ut eftersom deras växtsätt reagerar på vanliga sjöförhållanden. Även om många makrofytarter ser likadana ut varierar dock deras benägenhet att orsaka problem i sjöar. En effektiv hantering av makrofyter kräver vanligtvis identifiering på artnivå.
Plantor utgör livsmiljö och föda för många former av djurliv, från mikroskopiska rotiferer som filtrerar små alger, till zooplankton som jagar större alger, till insekter, till fiskar och vattenlevande däggdjur som äter även större växter eller djur. En förändring i någon del av denna näringsväv ger effekter i hela systemet på subtila eller till och med dramatiska sätt.
Vattendelaren
En vattendelare kan bäst beskrivas som en tratt. Den övre kanten av tratten är de geografiska egenskaper (kullar, berg) som markerar gränsen för ett avrinningsområde. Insidan av tratten, eller trattväggarna, representerar all den mark som ligger inom gränsen för kullar eller berg som avrinner till sjön. Sjön ligger i botten av tratten och tar emot allt vatten som rinner från bergstopparna, över marken och ut i bäckarna.
Vattendraget innehåller ditt hus, din bil, ditt arbete, din golfbana, ditt köpcentrum och alla dess asfalterade ytor, din avloppsanläggning, dina biltvättar, dina bollplaner, dina sandlådor och diverse andra typer av markanvändning. Oavsett hur långt du befinner dig från ett ytvatten, oavsett om du kan se sjön eller floden eller inte, befinner du dig i ett avrinningsområde.