Limnologia Espacial:
radiação PAR e UV
José Fernandes Bezerra Neto
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
Sol
Sombreamento, Reflexão, Absorção
Sol
Sombreamento, Reflexão, Absorção
Reflexão da superfície
Dispersão, Absorção (calor)
(= atenuação)
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
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
Perfis de luz – atenuação
I(z) = I(0) * [ e-kz ]
Ln I(z) = -nz + Ln I(0)
O gráfico semi-log da luz vs prof.
Irá linearizar a atenuação exponencial
luz vs prof.
Light (% surface)
0
20
40
60
80
Ln light Intensity
100
0.00
0
10
15
4.00
6.00
0
A
A
5
B
Depth (m)
Depth (m)
5
2.00
10
15
20
20
B
8.00
Calculando o coeficiente de
extinção
Sub-aquático
% da superf.
ln %
0
1280
100
4.61
1
1040
81
4.40
3
655
51
3.94
5
447
35
3.55
7
332
26
3.26
9
245
19
2.95
11
178
14
2.63
13
132
10
2.33
15
97.5
7.6
2.03
17
71.5
5.6
1.72
19
53.2
4.2
1.42
21
40.4
3.2
1.15
23
30.9
2.4
0.88
25
23.9
1.9
0.62
27
18.4
1.4
0.36
0
5
10
15
20
25
30
25
30
Prof. (m etros)
Fração ln da luz da superfície
Prof.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
% da luz da superfície
(PAR)
Intensidade da
luz (PAR; uE
m-2 seg-1)
Lago Petit Extinção da luz
20 Outubro 1991
5.0
4.0
3.0
2.0
0.146
1.0
0.0
0
5
10
15
Prof. (m etros)
20
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.
Refratárias
Carbono orgânico dissolvido
Moléculas aromáticas
Origem terrestre
Alóctone
Absorção de luz
na faixa do UV
COD
CDOM
COR
Autóctone
Algas e macrófitas
Moléculas alifáticas
Lábeis
Baixa capacidade
de absorver luz
-1
Kd UVB (m )
150
120
90
60
Kd = 7.27*DOC + 4.85
r2 = 0.51
30
0
0
5
10
15
20
DOC (mg C/L)
25
30
150
-1
Kd UVB (m )
120
Peterson et al. (2002)wetlands
Graneli et al. (1996)Lagos temperados
90
60
30
0
0
5
10
15
20
-1
DOC (mg C L )
25
30
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
Fatores controladores de Kd: Estudo de caso
• Análise de correlação: correlaciona kd e [chla, STS,
aCDOM] na estação chuvosa (Tampa Bay (USA), Out.
2004)
kd
kd_380
kd_443
aCDOM(400)
0.58
0.79
TSS
0.02
0.4
Chls
0.26
0.70
[aCDOM,TSS, Chl]
0.52
0.82
kd_490
kd_555
kd_589
0.78
0.74
0.77
0.51
0.70
0.71
0.77
0.77
0.77
0.88
0.91
0.90
kd_625
kd_689
kdPAR
0.77
0.65
0.69
0.74
0.78
0.79
0.77
0.71
0.77
0.91
0.90
0.92
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 PAR
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
Rio Grande
12 reservatórios
Extensão: 1.390 km
Bacia de drenagem: 143.000 km2
Seqüência de reservatórios em cascata no rio Grande (distâncias horizontais
representam quilômetros). Fonte: CEMIG.
Projeto UV - CNPq
Perfil - Furnas
Ln µWatts/cm²/nm
µWatts/cm²/nm
0
10
20
30
40
50
60
1
70
2
3
4
5
1
2
Kd 305 nm = 3,066
Prof. (m)
3
Kd 320 nm = 2,179
4
5
Edz305nm
Edz320nm
Edz340nm
12
Kd 340 nm = 1,600
Ln Edz305nm
Ln Edz320nm
Ln Edz340nm
Ln µEinsteins/m²/s
µEinsteins/m²/s
400
800
1200 1600 2000 2400 2800
2
3
4
5
6
7
8
0
Kd PAR = 0,299
2
Prof. (m)
4
6
EdzPAR
8
10
12
14
Ln EdzPAR
9
Perfil - Estreito
Ln µWatts/cm²/nm
µWatts/cm²/nm
0
10
20
30
40
50
60
1
70
2
3
4
5
1
2
Kd 305 nm = 3,427
Prof. (m)
3
4
5
11
12
Edz305nm
Edz320nm
Edz340nm
13
Ln Edz305nm
Ln Edz320nm
Ln Edz340nm
14
Kd 320 nm = 2,409
15
Ln µEinsteins/m²/s
µEinsteins/m²/s
Kd 340 nm = 1,724
400
800
1200 1600 2000 2400 2800
2
3
4
5
6
7
0
2
Kd PAR = 0,296
Prof. (m)
4
6
EdzPAR
8
10
12
14
Ln EdzPAR
8
Absorção de CDOM
Radiação UV e
Mudanças
Climáticas???
380
370
CO 2 (µL/L)
360
350
340
330
320
310
1960
1970
1980
Year
1990
2000
2010
Radiação UV e as mudanças globais
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
(UNEP/WMO, 2002; McKenzie et al., 2003; Häder et al., 2003).
Radiação UVB
Mudanças na hidrologia e
na biogeoquímica induzidas
pelas mudanças globais
Ácidos fúlvicos
Qualidade &
Quantidade da MOD Ácidos húmicos
Humina
Toxicidade &
biodisponibilidade de metais
Penetração da
Radiação UVB
Estrutura e função das
comunidades
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.
90% do Ozônio
está na
estratosfera
Image:
http://see.gsfc.nasa.gov/edu/SEES/strat/class/Chap_1/index.htm
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
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.
Diminuição O3
O problema da radiação UV
aumento UVB
1 - Molecular
2 - Celular
DNA
PSII
Mutações
Pigmentos
4 - Comunidade
5 - Ecossistema
(Efeitos
biogeoquímicos)
(ingestão e fixação)
Crescim.
Comp. Sp.
Diversid.
Export. C
(Rubisco, ATPases, etc.)
Nutrientes
Fotossint.
3 - População
Lipideos-proteínas-
Motilid.
Competição
Interações tróficas Pc:Rc
Transferência p/ os níveis tróf. Super.
Dano : Reparo
Custo metabólico
dos mecanismos
de defesa
No contexto do aquecimento global,
Produção líquida
Respiração
mudanças
causada pela radiação UV
a nível de
Da comunidade
comunidade
Comunidade podem ser mais importantes
do que
aquelas causadas nos níveis tróficos inferiores,
Porque afetam os ciclos biogeoquímicos e os
Biomassa Autotrófica : Biomassa Heterotrófica
Fluxos de carbono.
Export C
Transfer. para os níveis superiores
Atmosfera
UVA
UVB
aerossóis
CO2
7.5 Gt C yr-1
CO2. : 750 Gt C
Oceano
Troca de
CO2
Gases
UVA
UVB
fotossíntese
Produção
fitoplâncton
fotodegradação
Primária
50 Gt C yr-1
CO2
bactéria
~ 30 Gt C ano-1
Respiração
COD
700 Gt C
nutrientes
- 100 m
Mineralização
Fluxos de carbono orgânico
Tedetti et al., 2003
- 4000 m
Sedimento
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.
Efeitos da radiação UV sobre a mineralização da MOD
(adaptado de Obernosterer, 2000)
sol
UVR
UVR
interface água-ar
nitratos
MOD
fotólise
fotólise
Fotoprodutos
disponíveis
radicais
fotoprodutos
refratários
-
radicais OH
Açúcares
aminoácidos
-
+
Bactéria
-
Produção bacteriana,
Efciência de crescimento
Produção de CO2
QUESTÕES?