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?