Radiação e Penetração da Radiação e Penetração da luz na águaluz na água

Curso: Teoria e Métodos em LimnologiaEPAMIG, 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?

3.Quais os fatores que influenciam a atenuação da luz na água?

A luz traz a energia para fotossíntese fitoplânctonmacrófitas

A luz esquenta a água

O zooplâncton usa a luz para orientação

Visão para os predadores

Porque estudar a luz em lagos?

Propriedades da luz (ou mais precisamente, da radiação solar):

Nas reações fotoquímicas (fotossíntese e visão) É necessário considerar a luz como

pacotes discretos de energia (quanta)

Na atmosfera e na água, o comportamento da luz é melhor explicado assumindo ser esta uma onda

Um quantum de luz é chamado fóton

n = frequência (Hz)

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)

A freqüência e o comprimento de onda são relacionados por:

n = c/l

l = comprimento de onda

c = velocidade da luz

2.9972 x 1010 (cm/s) no ar 2.2492 x 1010 (cm/s) na água

n = freqüência

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

(1) Latitude

A quantidade de luz que alcança a superfície de um lago depende de cinco fatores:

(2) Estação do ano

(3) Hora do dia

A quantidade de luz que alcança a superfície de um lago depende de cinco fatores:

(4) Altitude

(5) Condições meteorológicas

Terra

AtmosferaA atmosfera dispersa

e absorve a luz

Uma parte é refletidaO resto entra no lago

Da luz que alcança a superfície de um lago:

• Zona fótica e transparência da águaA zona fótica é a porção iluminada da coluna d’água. A zona fótica é a porção iluminada da coluna d’água.

O limite inferior da zona eufótica profundidade é O limite inferior da zona eufótica profundidade é considerado onde a intensidade da radiação considerado onde a intensidade da radiação corresponde a 1% da que atinge a superfície. corresponde a 1% da que atinge a superfície.

Relembrando....

Características da superfície da água

O que determina a quantidade de luz refletida?

Ângulo de incidência

Surface reflection (%)

Pode aumentar a reflexão em 30-40%

O que acontece quando a luz entra na coluna de água?

1.1. Dispersa (água, Dispersa (água, partículas partículas suspensas).suspensas).

2.2. Absorvida (água, Absorvida (água, matéria dissolvida, matéria dissolvida, matéria particulada ou matéria particulada ou o sedimento no o sedimento no fundo).fundo).

3.3. Refletida de volta Refletida de volta para a superfície.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.

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%

% of surface light

0

5

10

15

20

25

30

35

0 25 50 75 100

dep

th (

m)

% of surface light

0

5

10

15

20

25

30

35

1 10 100

dep

th (

m)

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 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

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?

Lagoa GambazinhoRadiação

500 1000 1500 20000

2

4

6

8

10

Ln radiação

0 2 4 6 8 10

Ko = 0,58 m-1Julho

Lagoa Carioca

Radiação

500 1000 15000

2

4

6

8

10

Ln radiação

0 2 4 6 8 10

Ko = 1,27 m-1Julho

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

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.

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

0

300 400 500 600 700

UV IR

% A

bso

rvid

o

Comprimento de onda (nm)

50

40

30

20

10

0 D

ep

th,

m

100806040200

Downwelling irradiance, % of Surface

Lake TahoeMarch 1999

410 nm 441 nm 488 nm 520 nm 560 nm 630 nm 683 nm

Atenuação da luz: um caso de estudo

Atenuação da luz: um caso de estudo

50

40

30

20

10

0 D

ep

th,

m

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

Downwelling irradiance, % of Surface

Lake TahoeMarch 1999

410 nm 441 nm 488 nm 520 nm 560 nm 630 nm 683 nm

Disco de Secchi

Estimativa barata da atenuação da luz

Varia entre lagos e com as estações do ano

Lagoa Carioca 1,5 mLagoa D. Helvécio 3,5 mLagoa Pampulha 30 cm

ljea.org/ljsecchi.html

Lagoa Gambazinho, PERD

Lagoa Carioca, PERD

• A avaliação da dispersão da luzA avaliação da dispersão da luz

• A turbidez da água é a medida de sua capacidade A turbidez da água é a medida de sua capacidade de dispersar a radiaçãode dispersar a radiação

• Avaliação da atenuaçãoAvaliação da atenuação

A atenuação é avaliada por meio da medida da A atenuação é avaliada por meio da medida da redução da radiação com a profundidade na coluna redução da radiação com a profundidade na coluna d’água.d’água.

A luzA luz

RadiômetroRadiômetro

• A prof. do Secchi - ZZSD SD

corresponde grosseiramente a 10% da luz na superfície

• Zona eufótica = 2 - 3 vezes Zona eufótica = 2 - 3 vezes

a prof. do Secchia prof. do Secchi

• O coeficiente de extinção O coeficiente de extinção da luz corresponde a da luz corresponde a 1.7/Z1.7/ZSDSD

http://www.dnr.state.wi.us/org/water/wm/nps/waterquality.htm

Luz e a relação com o disco de Luz e a relação com o disco de Secchi Secchi

QUESTÕES?