Radiação e Penetração da luz na água

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

2. 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?

3. 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

4. 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

5. 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)

6. A freqüência e o comprimento de onda são relacionados por: n = c/l 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

7. Radiação Solar RFA

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

9. 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

10. 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

11. 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

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

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

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

15. 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.

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

17. 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.

18. 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.

19. Plotando perfis de luz Luz Prof. x x x Lei de Bouguer x

20. 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

21. 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

22. 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

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

24. 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

25. 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)

26. Absorção de luz pelos pigmentos das algas

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

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

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

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

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

32. 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.

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

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

35. IR UV 0 % Absorvido 50 100 300 400 500 600 700 Comprimento de onda (nm)

36. Atenuação da luz: um caso de estudo

37. Atenuação da luz: um caso de estudo

40. Disco de Secchi Estimativa barata da atenuação da luz

41. 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

42. Lagoa Gambazinho, PERD Lagoa Carioca, PERD

43. 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.

44. Radiômetro

45. 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 http://www.dnr.state.wi.us/org/water/wm/nps/waterquality.htm Luz e a relação com o disco de Secchi

46. QUESTÕES?