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?
3. 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
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
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)
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
Radiação
Solar
RFA
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:
Atmosfera
(3) Hora do dia
Terra
A atmosfera dispersa
e absorve a luz
(4) Altitude
(5) Condições meteorológicas
Da luz que alcança
a superfície de um lago:
Uma parte é refletida
O resto entra no lago
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.
O que determina a
quantidade de luz refletida?
Ângulo de incidência
Surface reflection (%)
Características da superfície da água
Pode aumentar a reflexão em 30-40%
O que acontece quando a luz entra na coluna de água?
1. Dispersa (água,
partículas
suspensas).
2. Absorvida (água,
matéria dissolvida,
matéria particulada ou
o sedimento no
fundo).
3. 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
x
x
Lei de Bouguer
x
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
% of surface light
0
0
5
depth (m)
10
15
20
25
30
35
25
50
75
100
A diminuição da quantidade da luz com a profundidade
Pode ser estimada por:
Iz = I0 e-k z
d
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
0
25
50
75
0
5
10
depth (m)
Quanto maior kd
Mais rápido a luz é atenuada
com a profundidade
% of surface light
15
20
25
30
35
10%
20%
100
Neste exemplo, o coeficiente de extinção é 0.1 (i.e. 10%)
% of surface light
% of surface light
25
50
75
1
100
0
0
5
5
10
10
15
20
depth (m)
depth (m)
0
15
20
25
25
30
30
35
35
10
100
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
Lagoa Carioca
Lagoa Gambazinho
Ln radiação
Radiação
500
1000
1500
2000
0
2
4
6
8
10
500
0
0
2
2
4
4
6
6
8
10
Julho
Ln radiação
Radiação
Ko = 0,58 m-1
8
1000
1500
0
2
Julho
10
Qual dos dois lagos é o mais claro?
4
6
8
Ko = 1,27 m-1
10
Comparação de kd em áreas de um mesmo ambiente
2.6
2.4
2.2
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
N
Reservatório de Furnas – Minas Gerais
0.2
Comparação de kd em áreas de um
mesmo ambiente
N
15 Km
Reservatório de Furnas – Minas Gerais
Reservatório de Três Marias – Variação do coeficiente de atenuação
Comparação de kd em áreas de um
mesmo ambiente
0.78
0.74
0.7
0.66
0.62
0.58
0.54
0.5
0.46
0.42
0.38
0.34
0.3
N
Reservatório de Furnas – Minas Gerais
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)
1,2
1,6
Lagoa Carioca
1,4
Lagoa Gambazinho
1,0
1,2
0,8
1,0
Ko /PAR (m -1)
0,6
0,8
0,4
0,6
0,4
0,2
1,4
1,2
Lagoa Dom Helvécio
1,2
1,0
1,0
0,8
0,8
0,6
0,6
Lagoa Jacaré
0,4
0,4
J
A S O N D
2004
J
F M A M J
2005
J
J
A
S O N D
2004
J
F M A M J
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.
J
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
% Absorvido
0
IR
UV
50
100
300
400
500
600
Comprimento de onda (nm)
700
Atenuação da luz: um caso de estudo
0
Depth, m
10
Lake Tahoe
March 1999
410 nm
441 nm
488 nm
520 nm
560 nm
630 nm
683 nm
20
30
40
50
0
20
40
60
Downwelling irradiance, % of Surface
80
100
Atenuação da luz: um caso de estudo
0
Depth, m
10
Lake Tahoe
March 1999
410 nm
441 nm
488 nm
520 nm
560 nm
630 nm
683 nm
20
30
40
50
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
10
Downwelling irradiance, % of Surface
1
10
2
10
Disco de Secchi
Estimativa barata da atenuação da luz
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
• 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/w
m/nps/waterquality.htm
QUESTÕES?