Limnologia Espacial:Limnologia Espacial:radiação PAR e UV radiação PAR e UV
José Fernandes Bezerra Neto
Radiação Radiação SolarSolar
RFA
Espectro da radiação solar:
http://www.physicsclassroom.com/
Ultravioleta (UV) 100—400 nm
UV-C < 280 nmUV-B 280-320 nmUV-A 320-400 nm
Causa danos aos organismos
Pequeno comprimento de onda = alta frequência = Fótons de alta energia
Pequena fração (~ 3 %) da distribuição diária da energia
Radiação fotossintéticamente ativa RFA
Visível 400-700 nm
~ 46 % da distribuição diária da energia
Nesta faixa de radiação, a frequência varia de cerca de 400 trilhões de
ciclos/seg ( luz vermelha) a quase 800 trilhõesde ciclos/seg (luz violeta)
Radiação infravermelha 700-3000 nm
Transfere calor para a superfície da água
Comprimento de onda longo=baixa freqüência= Fótons de baixa energia
~ 51 % da distribuição diária da energia
Sol Sombreamento, Reflexão, Absorção
Sol Sombreamento, Reflexão, Absorção
Reflexão da superfície
Dispersão, Absorção (calor) (= atenuação)
O que acontece quando a luz entra na coluna de água?
• Nas camadas profundas de um lago, há menos energia radiante
Isto é chamado atenuação da luz
•Atenuação da luz = diminuição da energia radiante com a profundidade devido à dispersão e a
absorção.
Pro
f.
Luzx
x
x
x
Plotando perfis de Plotando perfis de luzluz
Lei de Bouguer
Na água pura (sem dispersão, sem fotossíntese) Para um dado comprimento de onda
Uma fração constante da luz é absorvida exponencialmente (transferida como calor) com a profundidade
% of surface light
0
5
10
15
20
25
30
35
0 25 50 75 100
dep
th (
m)
Aonde:
I0 = Intensidade da luz na superfície da água Iz = Intensidade da luz na prof. zkd = Coeficiente de atenuação verticalz = profundidade (m)
A diminuição da quantidade da luz com a profundidade Pode ser estimada por:
Iz = I0 e-kdz
I0 e Id são medidos com um radiômetro
kd =ln I0 – ln Iz
z
O decaimento da luz na água é exponencial
e kd é a taxa deste decaimento
Quanto maior kd mais rápido a luz é atenuada
com a profundidade
% of surface light
0
5
10
15
20
25
30
35
0 25 50 75 100
dep
th (
m)
10%
20%
O “Kd” nos informa sobre a penetração
da luz na água
Altos valores de kd baixa penetração da luz na água
Pequeno kd elevada penetração da luz na água
O gráfico semi-log da luz vs prof.
Irá linearizar a atenuação exponencial
0
5
10
15
20
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00
Ln light Intensity
Dep
th (m
)
Ln I(z) = -nz + Ln I(0)
B
A
0
5
10
15
20
0 20 40 60 80 100
Light (% surface)
Dep
th (m
)
luz vs prof.
I(z) = I(0) * [ e-kz ]
B
A
Perfis de luz – atenuação
Intensidade da Intensidade da luz (PAR; luz (PAR; uE muE m-2-2 seg seg--
11))
Prof. Prof.
Sub-Sub-aquáticaquátic
oo
% da % da superfsuperf
.. ln %ln %
00 12801280 100100 4.61 4.61
11 10401040 8181 4.40 4.40
33 655655 5151 3.94 3.94
55 447447 3535 3.55 3.55
77 332332 2626 3.26 3.26
99 245245 1919 2.95 2.95
1111 178178 1414 2.63 2.63
1313 132132 1010 2.33 2.33
1515 97.597.5 7.67.6 2.03 2.03
1717 71.571.5 5.65.6 1.72 1.72
1919 53.253.2 4.24.2 1.42 1.42
2121 40.440.4 3.23.2 1.15 1.15
2323 30.930.9 2.42.4 0.88 0.88
2525 23.923.9 1.91.9 0.62 0.62
2727 18.418.4 1.41.4 0.36 0.36
Lago Petit Extinção da luz20 Outubro 1991
0102030405060708090
100
0 5 10 15 20 25 30
Prof. (metros)
% d
a lu
z d
a su
per
fíci
e (P
AR
)
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
0 5 10 15 20 25 30
Prof. (metros)
Fra
ção
ln
da
luz
da
sup
erfí
cie
Calculando o Calculando o coeficiente de coeficiente de extinçãoextinção
0.146
Relembrando: Quais os fatores que influenciam a atenuação da luz na água?
• A própria água
• Partículas suspensas (sólidos suspensos e algas)
Clorofila a absorve em 2 picos: 670-680 nm (vermelho-laranja, profundidades rasas) e 435 nm (azul-violeta, águas profundas)
• Substâncias dissolvidas (carbono orgânico dissolvido) – picos de absorção na faixa do UV-A e UV-B.
Carbono orgânico dissolvido
Alóctone
Autóctone
Origem terrestre
COD
Algas e macrófitas
Moléculas alifáticasBaixa capacidade de absorver luz
Moléculas aromáticas
Absorção de luz na faixa do UV
COR
Refratárias
Lábeis
CDOM
Kd = 7.27*DOC + 4.85
r2 = 0.51
0
30
60
90
120
150
0 5 10 15 20 25 30
DOC (mg C/L)
Kd
UV
B (
m-1
)
0
30
60
90
120
150
0 5 10 15 20 25 30
DOC (mg C L-1
)
Kd
UV
B (
m-1
)
Graneli et al. (1996)-Lagos temperados
Peterson et al. (2002)-wetlands
Coeficiente de extinção da luz
• Medida da taxa de atenuação da luz na águaMedida da taxa de atenuação da luz na água
• Composto pelos fatores:Composto pelos fatores:ηt = ηw + ηp + ηc
aonde:aonde: ηηtt = coeficiente de extinção total = coeficiente de extinção total
ηηww = coeficiente de extinção da água = coeficiente de extinção da água
ηηpp = coeficiente de extinção de partículas = coeficiente de extinção de partículas
ηηcc = coeficiente de extinção de subst. = coeficiente de extinção de subst. dissolvidasdissolvidas
Fatores controladores de Kd: Estudo de caso
• Análise de correlação: correlaciona kd e [chla, STS, aCDOM] na estação chuvosa (Tampa Bay (USA), Out. 2004)
kd aCDOM(400) TSS Chls [aCDOM,TSS, Chl]
kd_380 0.58 0.02 0.26 0.52
kd_443 0.79 0.4 0.70 0.82
kd_490 0.78 0.51 0.77 0.88
kd_555 0.74 0.70 0.77 0.91
kd_589 0.77 0.71 0.77 0.90
kd_625 0.77 0.74 0.77 0.91
kd_689 0.65 0.78 0.71 0.90
kdPAR 0.69 0.79 0.77 0.92
Comparação de kd em áreas de um mesmo ambiente
Reservatório de Furnas – Minas Gerais
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.6
N
Comparação de kd em áreas de um mesmo ambiente
15 Km
N
Reservatório de Furnas – Minas Gerais
Comparação de kd em áreas de um mesmo ambiente
Reservatório de Furnas – Minas Gerais
0.3
0.34
0.38
0.42
0.46
0.5
0.54
0.58
0.62
0.66
0.7
0.74
0.78
N
Reservatório de Três Marias – Variação do coeficiente de atenuação PAR
Comparação de kd em áreas de um mesmo ambiente
Reservatório de Três Marias – Minas Gerais
Análise da variação do coeficiente de atenuação da luz ao longo do ano (variação sazonal)
Lagoa Carioca
Ko
/PA
R (
m-1
)
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Lagoa Dom Helvécio
J A S O N D J F M A M J J
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Lagoa Gambazinho
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Lagoa Jacaré
2004
J A S O N D J F M A M J J
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
20052004 2005
Variação sazonal dos valores do coeficiente de atenuação escalar da luz (Ko)
para os lagos estudados no período de julho de 2004 a junho de 2005.
Seqüência de reservatórios em cascata no rio Grande (distâncias horizontais representam quilômetros). Fonte: CEMIG.
Rio Grande12 reservatóriosExtensão: 1.390 kmBacia de drenagem: 143.000 km2
Projeto UV - CNPqProjeto UV - CNPq
µWatts/cm²/nm
0 10 20 30 40 50 60 70
Pro
f. (
m)
1
2
3
4
5
12 Edz305nm Edz320nm Edz340nm
Perfil - Furnas
Ln µWatts/cm²/nm
1 2 3 4 5
Ln Edz305nm Ln Edz320nm Ln Edz340nm
µEinsteins/m²/s
400 800 1200 1600 2000 2400 2800P
rof.
(m
)0
2
4
6
8
10
12
14
EdzPAR
Ln µEinsteins/m²/s
2 3 4 5 6 7 8 9
Ln EdzPAR
Kd 305 nm = 3,066
Kd 320 nm = 2,179
Kd 340 nm = 1,600
Kd PAR = 0,299
µWatts/cm²/nm
0 10 20 30 40 50 60 70
Pro
f. (
m)
1
2
3
4
511
12
13
14
15
Edz305nm Edz320nm Edz340nm
Perfil - Estreito
Ln µWatts/cm²/nm
1 2 3 4 5
Ln Edz305nm Ln Edz320nm Ln Edz340nm
µEinsteins/m²/s
400 800 1200 1600 2000 2400 2800P
rof.
(m
)
0
2
4
6
8
10
12
14
EdzPAR
Ln µEinsteins/m²/s
2 3 4 5 6 7 8
Ln EdzPAR
Kd 305 nm = 3,427
Kd 320 nm = 2,409
Kd 340 nm = 1,724
Kd PAR = 0,296
Absorção de CDOM Absorção de CDOM
Year
1960 1970 1980 1990 2000 2010
CO
2 (µ
L/L)
310
320
330
340
350
360
370
380
Radiação UV eMudanças
Climáticas???
(UNEP/WMO, 2002; McKenzie et al., 2003; Häder et al., 2003).
Radiação UV e as mudanças globais
Variação da UVR na superfície da Terra
+
Depleção do ozônio na estratosfera
UV-B
Variação da nebulosidade
Aumento dos aerossóis, ozônio(troposfera)
UV-A e UV-B
UV-A e UV-B
+
Variação da penetração de UV na coluna de água
Aumento da frequência de ventos
mistura vertical
UV-B
Aumento do gases do efeito-estufa
+
Mudanças na hidrologia e na biogeoquímica induzidas
pelas mudanças globaisRadiação UVB
Toxicidade & biodisponibilidade de metais
Penetração daRadiação UVB
Estrutura e função das comunidades
Qualidade & Quantidade da MOD
Ácidos fúlvicosÁcidos húmicosHumina
A foto-degradação da matéria orgânica dissolvida (MOD)
• MOD tem um efeito de bloquear os efeitos do sol nos ecossistemas aquáticos.
• Como MOD é degradado, sua absorbância diminui, tornando-se um problema ecológico de relevância.
Image: http://see.gsfc.nasa.gov/edu/SEES/strat/class/Chap_1/index.htm
90% do Ozônio está na
estratosfera
Imagem: http://toms.gsfc.nasa.gov/multi/oz_hole_area.jpg
• Crescimento da área média do buraco na camada de ozônio de 1979 a 2002.
• Buraco na camada de ozônio = área no qual a camada de ozônio foi menor do que 220 DU
• 1 unidade Dobson (DU) é definida como uma camada de 0.01 mm de espessura em condições de temperatura e pressão padrão.
O buraco na camada de ozônioO buraco na camada de ozônio
> 30% da proteína animal mundial para o consumo do homem vem do mar. Teme-se que um aumento dos níveis de exposição ao UV possa ter impactos adversos sobre a produtividade.
• Altos níveis de exposição nos trópicos e subtrópicos podem afetar a distribuição do fitoplâncton, que constitui a base das cadeias tróficas aquáticas.
• UVB pode também causar danos aos organismos em estágios iniciais, tais como peixes, caranguejos, anfíbios e outros animais. Os efeitos mais severos seriam a diminuição da capacidade reprodutiva e problemas no desenvolvimento larval.
Efeitos sobre os sistemas aquáticos
Diminuição O3
aumento UVB
Pigmentos Lipideos-proteínas-(Rubisco, ATPases, etc.)
PSIIDNA
Nutrientes(ingestão e fixação)
Motilid.Fotossint.Mutações
CompetiçãoCrescim.
Diversid.Comp. Sp. Interações tróficas Pc:Rc
Transferência p/ os níveis tróf. Super.Export. C
2 - Celular
1 - Molecular
4 - Comunidade
3 - População
5 - Ecossistema(Efeitos biogeoquímicos)
O problema da radiação UV
Dano : Reparo
Custo metabólicodos mecanismos de defesa
Produção líquidaDa comunidade
Respiraçãocomunidade
Biomassa Autotrófica : Biomassa Heterotrófica
Transfer. para os níveis superiores Export C
No contexto do aquecimento global, mudanças causada pela radiação UV a nível deComunidade podem ser mais importantes do queaquelas causadas nos níveis tróficos inferiores,Porque afetam os ciclos biogeoquímicos e os Fluxos de carbono.
CO2
7.5 Gt C yr-1
Contin
ente
Sedimento
Oceano
Atmosfera
- 100 m
- 4000 m
Troca de
Gases
emissões aerossóis
UVA UVB
Fluxos de carbono orgânico
CO2. : 750 Gt C
CO2
Mineralização
fotodegradação
COD 700 Gt
C
bactéria fitoplâncton
CO2
~ 30 Gt C ano-
1
nutrientes
Produção
Primária
50 Gt C yr-1
fotossíntese
UVA UVB
Respiração
Tedetti et al., 2003
Efeitos sobre os ciclos biogeoquímicos
• A ciclagem de nitrogênio pode ser afetada pelo aumento de UVB através da inibição da nitrificação pelas bactérias e pela foto-decomposição de espécies inorgânicas simples tais como nitrato.
interface água-ar
MOD
fotólise
Bactéria
nitratos
fotólise
UVR
radicais OHFotoprodutos disponíveis
--
+
sol
Efeitos da radiação UV sobre a mineralização da MOD Efeitos da radiação UV sobre a mineralização da MOD (adaptado de Obernosterer, 2000)(adaptado de Obernosterer, 2000)
fotoprodutos refratários
radicais
Açúcares aminoácidos
UVR
- Produção bacteriana, Efciência de crescimentoProdução de CO2
QUESTÕES?
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