Limnologia Espacial: radiação PAR e UV

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1 Limnologia Espacial: radiação PAR e UV
José Fernandes Bezerra Neto

2 Radiação Solar RFA From Hutchinson (1957, Fig. 10-9). Note that the Angstroms shown on the horizontal axis can be converted to nanometers by multiplying Angstroms by The curve denoted "A" represents the distribution of wavelengths in solar radiation outside Earth's atmosphere. Note that the peak is in the violet end of the visible spectrum, about 400 nm (4000 Angstroms). As light passes through the atmosphere, represented by the curve labeled "B", the higher energy violet and ultraviolet waves are reflected and scattered, and the peak in the curve is shifted toward the middle of the visible spectrum. Much of the interception of violet and ultraviolet waves of light is by ozone; thus, man-made chemicals high in the atmosphere that destroy ozone (the "ozone hole"), such as halogenated compounds, allow considerable more high energy solar radiation to pass through the atmosphere.

3 Espectro da radiação solar:

4 Ultravioleta (UV) 100—400 nm UV-C < 280 nm UV-B 280-320 nm
UV-A nm Pequeno comprimento de onda = alta frequência = Fótons de alta energia Pequena fração (~ 3 %) da distribuição diária da energia Causa danos aos organismos

5 Visível 400-700 nm Radiação fotossintéticamente ativa RFA
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) ~ 46 % da distribuição diária da energia

6 Radiação infravermelha 700-3000 nm
Comprimento de onda longo=baixa freqüência= Fótons de baixa energia ~ 51 % da distribuição diária da energia Transfere calor para a superfície da água

7 Sol Sombreamento, Reflexão, Absorção

8 Sol Sombreamento, Reflexão, Absorção Reflexão da superfície
Dispersão, Absorção (calor) (= atenuação)

9 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.

10 Plotando perfis de luz Luz Prof. x x x x Lei de Bouguer
At the top of this picture you see a typical graph. At the bottom of the picture, you are looking at a “lake” in cross-section. Limnologists tend to graph data differently, so first of all, we need to make sure everyone is familiar with the seemingly strange way limnologists plot lake data that varies with depth. The independent variable, in this case, depth, is plotted vertically, starting with 0 meters at the top of the graph and increasing downward (the opposite of the usual graphing method). It makes sense when you want to visualize how things change as we dive down from the surface. The dependent variables (i.e., the physical, chemical, and biological variables that vary with depth) are plotted horizontally. In this case, the reduction of light with depth is plotted in typical “limnological” fashion, superimposed over the lake cross-section to help you visualize the data. x x Lei de Bouguer x

11 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

12 A diminuição da quantidade da luz com a profundidade
Pode ser estimada por: Iz = I0 e-kdz Aonde: I0 = Intensidade da luz na superfície da água Iz = Intensidade da luz na prof. z kd = Coeficiente de atenuação vertical z = profundidade (m) I0 e Id são medidos com um radiômetro

13 ln I0 – ln Iz kd = 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

14 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

15 Perfis de luz – atenuação
I(z) = I(0) * [ e-kz ] I(z) = I(0) * [ e-kz ] Ln I(z) = -nz + Ln I(0) O gráfico semi-log da luz vs prof. Irá linearizar a atenuação exponencial luz vs prof. A A B Light attenuation - The rate at which light decreases with depth therefore depends upon the amount of light absorbing dissolved substances (mostly organic carbon compounds washed in from decomposing vegetation in the watershed) and scattering and absorption from suspended materials (soil particles from the watershed, algae and detritus). Lakes with low k-values have greater light penetration than those with high k-values. The figures show light attenuation profiles from two lakes with attenuation coefficients of 0.2 m-1 and 0.8 m-1 . Which curve is for the clear water lake ? A or B ? To calculate the vertical extinction coefficient n: re-calculate the light intensities as Ln [I] for each depth. Re-plot and fit a straight line to the Ln[I] vs z data. The negative of the slope (which is negative already!) is the extinction coefficient in units of inverse meters (m-1) the y-intercept = Ln [Io] where Io is the “fitted” value for the surface irradiance (I.e. z= 0 meters depth). Note- data may be in microeinsteins/m2/sec (photon flux) or milliWatts/m2/sec (irradiance), or simply as % surface light which is independent of units although the pattern of change with depth will vavry depending on what the sensor is actually measuring. Limnologists concerned with algal and macrophyte ecology nowadays typically use sensors that measure the band of photosynthetically active radiation (called P.A.R.) which is similar to what our eyes can see – nanometers in wavelength ( Angstroms). The next slide has diagrams of the spectrum. Note- there are different n’s for different wavelengths: red and violet have higher n’s because they are rapidly attenuated whereas blue-green light penetrates furthest. Red is usually absorbed in the upper meter. UV light is typically also attenuated rapidly with depth and it is readily absorbed by dissolved organic compounds in the water. Highly stained waters, sometimes called black or brown water, or “tea” stained water, can reduce UV radiation (UVB: nm; UVA: nm) to <1 % of surface values in only a few centimeters of depth. B

16 Calculando o coeficiente de extinção
Intensidade da luz (PAR; uE m-2 seg-1) Prof. Sub-aquático % da superf. ln % 1280 100 4.61 1 1040 81 4.40 3 655 51 3.94 5 447 35 3.55 7 332 26 3.26 9 245 19 2.95 11 178 14 2.63 13 132 10 2.33 15 97.5 7.6 2.03 17 71.5 5.6 1.72 53.2 4.2 1.42 21 40.4 3.2 1.15 23 30.9 2.4 0.88 25 23.9 1.9 0.62 27 18.4 1.4 0.36 0.146

17 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: 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.

18 Carbono orgânico dissolvido
Refratárias Moléculas aromáticas Origem terrestre Alóctone Absorção de luz na faixa do UV COD CDOM COR Autóctone Algas e macrófitas Moléculas alifáticas Baixa capacidade de absorver luz Lábeis

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20 150 ) 120 Peterson et al. (2002)- -1 wetlands Graneli et al. (1996)- 90 Lagos temperados Kd UVB (m 60 30 5 10 15 20 25 30 -1 DOC (mg C L )

21 Coeficiente de extinção da luz
Medida da taxa de atenuação da luz na água Composto pelos fatores: ηt = ηw + ηp + ηc aonde: ηt = coeficiente de extinção total ηw = coeficiente de extinção da água ηp = coeficiente de extinção de partículas ηc = coeficiente de extinção de subst. dissolvidas

22 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 0.91 kd_589 0.71 0.90 kd_625 kd_689 0.65 kdPAR 0.69 0.92

23 Comparação de kd em áreas de um mesmo ambiente
Reservatório de Furnas – Minas Gerais

24 Comparação de kd em áreas de um mesmo ambiente
15 Km Reservatório de Furnas – Minas Gerais

25 Comparação de kd em áreas de um mesmo ambiente
Reservatório de Três Marias – Variação do coeficiente de atenuação PAR N Reservatório de Furnas – Minas Gerais

26 Comparação de kd em áreas de um mesmo ambiente
Reservatório de Três Marias – Minas Gerais

27 para os lagos estudados no período de julho de 2004 a junho de 2005.
Análise da variação do coeficiente de atenuação da luz ao longo do ano (variação sazonal) 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.

28 Rio Grande 12 reservatórios Extensão: 1.390 km
Bacia de drenagem: km2 Rio Grande

29 Projeto UV - CNPq

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36 Absorção de CDOM

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39 Radiação UV e Mudanças Climáticas???

40 + + + 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 + Aumento da frequência de ventos  mistura vertical  UV-B Aumento do gases do efeito-estufa + Variação da penetração de UV na coluna de água (UNEP/WMO, 2002; McKenzie et al., 2003; Häder et al., 2003).

41 Radiação UVB Qualidade & Quantidade da MOD Penetração da Radiação UVB
Mudanças na hidrologia e na biogeoquímica induzidas pelas mudanças globais Radiação UVB Qualidade & Quantidade da MOD Ácidos fúlvicos Ácidos húmicos Humina Toxicidade & biodisponibilidade de metais Penetração da Radiação UVB Estrutura e função das comunidades

42 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.

43 90% do Ozônio está na estratosfera
figure shows the ozone layer near about 22 km for a "typical" midlatitude profile, Image:

44 O buraco na camada de ozônio
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. Imagem:

45 Efeitos sobre os sistemas aquáticos
> 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.

46 O problema da radiação UV
Diminuição O3 aumento UVB Pigmentos Lipideos-proteínas- (Rubisco, ATPases, etc.) PSII DNA 1 - Molecular Nutrientes (ingestão e fixação) Motilid. Fotossint. Mutações 2 - Celular Competição Crescim. 3 - População Diversid. Comp. Sp. Interações tróficas Pc:Rc 4 - Comunidade 5 - Ecossistema (Efeitos biogeoquímicos) Transferência p/ os níveis tróf. Super. Export. C

47 No contexto do aquecimento global,
Custo metabólico dos mecanismos de defesa Dano : Reparo Produção líquida Da comunidade Respiração comunidade No contexto do aquecimento global, mudanças causada pela radiação UV a nível de Comunidade podem ser mais importantes do que aquelas causadas nos níveis tróficos inferiores, Porque afetam os ciclos biogeoquímicos e os Fluxos de carbono. Biomassa Autotrófica : Biomassa Heterotrófica Transfer. para os níveis superiores Export C

48 Tedetti et al., 2003 Atmosfera Continente Oceano Sedimento aerossóis
UVA UVB Atmosfera aerossóis emissões CO2. : 750 Gt C CO Gt C yr-1 Continente Oceano Troca de Gases CO2 UVA UVB fotossíntese CO ~ 30 Gt C ano-1 Produção Primária Gt C yr-1 fitoplâncton fotodegradação bactéria Respiração COD Gt C nutrientes - 100 m Fluxos de carbono orgânico Mineralização Tedetti et al., 2003 m Sedimento

49 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. The marine sulfur cycle may also be affected resulting in possible changes in the sea-to-air emissions of COS and dimethylsulfied (DMS), two gases that are degraded to sulfate aerosols in the stratosphere and troposphere, respectively.

50 fotoprodutos refratários
Efeitos da radiação UV sobre a mineralização da MOD (adaptado de Obernosterer, 2000) sol UVR UVR interface água-ar nitratos MOD fotólise fotólise radicais Fotoprodutos disponíveis radicais OH fotoprodutos refratários Açúcares aminoácidos - + - - Produção bacteriana, Efciência de crescimento Produção de CO2 Bactéria

51 QUESTÕES?