Radiação e Penetração da luz na água Curso: Teoria e Métodos em Limnologia EPAMIG, 29 de Janeiro a 1 de fevereiro, 2008 Prof. José Fernandes Bezerra Neto Prof. Ricardo Motta Pinto Coelho

A luz no ambiente aquático 1. Porque estudar a luz a quantidade de luz que penetra nos corpos aquáticos? 2. Quais são os fatores que determinam o quanto de luz alcança os lagos? Quais os fatores que influenciam a atenuação da luz na água?

Porque estudar a luz em lagos? A luz traz a energia para fotossíntese fitoplâncton macrófitas A luz esquenta a água O zooplâncton usa a luz para orientação Visão para os predadores

(ou mais precisamente, da radiação solar): Propriedades da luz (ou mais precisamente, da radiação solar): Na atmosfera e na água, o comportamento da luz é melhor explicado assumindo ser esta uma onda Nas reações fotoquímicas (fotossíntese e visão) É necessário considerar a luz como pacotes discretos de energia (quanta) Um quantum de luz é chamado fóton

h = constante de Planck (6.625 x 10-34 J sec) O conteúdo de energia (E) de um fóton varia com a freqüência do comprimento de onda: E = hn h = constante de Planck (6.625 x 10-34 J sec) n = frequência (Hz)

n = c/l A freqüência e o comprimento de onda são relacionados por: n = freqüência l = comprimento de onda c = velocidade da luz 2.9972 x 1010 (cm/s) no ar 2.2492 x 1010 (cm/s) na água

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 10-1. 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.

Espectro da radiação solar: http://www.physicsclassroom.com/

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

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

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

A quantidade de luz que alcança a superfície de um lago depende de cinco fatores: (1) Latitude (2) Estação do ano

A quantidade de luz que alcança a superfície de um lago depende de cinco fatores: Terra Atmosfera (3) Hora do dia A atmosfera dispersa e absorve a luz (4) Altitude (5) Condições meteorológicas

a superfície de um lago: Da luz que alcança a superfície de um lago: O resto entra no lago Uma parte é refletida

Zona fótica e transparência da água Relembrando.... Zona fótica e transparência da água A zona fótica é a porção iluminada da coluna d’água. O limite inferior da zona eufótica profundidade é considerado onde a intensidade da radiação corresponde a 1% da que atinge a superfície.

quantidade de luz refletida? O que determina a quantidade de luz refletida? Surface reflection (%) Ângulo de incidência Características da superfície da água Pode aumentar a reflexão em 30-40%

O que acontece quando a luz entra na coluna de água? Dispersa (água, partículas suspensas). Absorvida (água, matéria dissolvida, matéria particulada ou o sedimento no fundo). Refletida de volta para a superfície.

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.

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

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

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

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

Neste exemplo, o coeficiente de extinção é 0.1 (i.e. 10%)

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

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)

Absorção de luz pelos pigmentos das algas

Comparação de kd entre ambientes Qual dos dois lagos é o mais claro?

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

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

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

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

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.

A atenuação da luz depende do comprimento de onda: absorção da luz na água pura

A água é um filtro de cor Vermelho é absorvido mais rapidamente Azul penetra mais profundamente

100 50 300 400 500 600 700 UV IR % Absorvido Comprimento de onda (nm)

Atenuação da luz: um caso de estudo

Atenuação da luz: um caso de estudo

Estimativa barata da atenuação da luz Disco de Secchi Estimativa barata da atenuação da luz

Varia entre lagos e com as estações do ano ljea.org/ljsecchi.html Varia entre lagos e com as estações do ano Lagoa Carioca 1,5 m Lagoa D. Helvécio 3,5 m Lagoa Pampulha 30 cm

Lagoa Gambazinho, PERD Lagoa Carioca, PERD

A luz A avaliação da dispersão da luz A turbidez da água é a medida de sua capacidade de dispersar a radiação Avaliação da atenuação A atenuação é avaliada por meio da medida da redução da radiação com a profundidade na coluna d’água.

Radiômetro

Luz e a relação com o disco de Secchi http://www.dnr.state.wi.us/org/water/wm/nps/waterquality.htm A prof. do Secchi - ZSD corresponde grosseiramente a 10% da luz na superfície Zona eufótica = 2 - 3 vezes a prof. do Secchi O coeficiente de extinção da luz corresponde a 1.7/ZSD Other tidbits: secchi ~ 10% of surface light vertical extinction coefficient is ~ 1.7/ [secchi depth] ; Check out Table 1. Estimated ranges of water transparency values for various lakes in the WOW Lake Primer for values of these data for many lakes. What relationship do you calculate for extinction coefficient versus secchi from Table 1 or from your local lakes ?

QUESTÕES?