Limnologia Espacial: radiação PAR e UV

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

2. Radiação Solar RFA

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

4. 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

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 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 Ln I(z) = -nz + Ln I(0) I(z) = I(0) * [ e-kz ] O gráfico semi-log da luz vs prof. Irá linearizar a atenuação exponencial luz vs prof. A A B B

16. Calculando o coeficiente de extinção 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: 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.

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

20. 150 ) 120 Peterson et al. (2002)- -1 wetlands Graneli et al. (1996)- 90 Lagos temperados Kd UVB (m 60 30 0 0 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)

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

24. Comparação de kd em áreas de um mesmo ambiente N 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. 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. 12 reservatórios Extensão: 1.390 km Bacia de drenagem: 143.000 km2 Rio Grande

29. Projeto UV - CNPq

36. Absorção de CDOM

39. Radiação UV e Mudanças Climáticas???

40. Depleção do ozônio na estratosfera  UV-B Aumento dos aerossóis, ozônio (troposfera) Aumento da frequência de ventos  UV-A e UV-B  mistura vertical Aumento do gases do efeito-estufa Variação da nebulosidade  UV-A e UV-B  UV-B + + + Variação da UVR na superfície da Terra Variação da penetração de UV na coluna de água Radiação UV e as mudanças globais (UNEP/WMO, 2002; McKenzie et al., 2003; Häder et al., 2003).

41. 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 Image: http://see.gsfc.nasa.gov/edu/SEES/strat/class/Chap_1/index.htm

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: http://toms.gsfc.nasa.gov/multi/oz_hole_area.jpg

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

47. Produção líquida Da comunidade Respiração comunidade Biomassa Autotrófica : Biomassa Heterotrófica Export C Transfer. para os níveis superiores Custo metabólico dos mecanismos de defesa Dano : Reparo 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.

48. fitoplâncton UVA UVB Atmosfera aerossóis emissões CO2. : 750 Gt C CO27.5 Gt C yr-1 Continente Oceano Troca de Gases CO2 UVA UVB fotossíntese CO2 ~30 Gt C ano-1 Produção Primária50 Gt C yr-1 fotodegradação bactéria Respiração COD 700 Gt C nutrientes - 100 m Fluxos de carbono orgânico Mineralização Tedetti et al., 2003 - 4000 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.

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