Λιμνολογία

Η λιμνολογία είναι η μελέτη των υδάτινων οικοσυστημάτων της ενδοχώρας. Η μελέτη της λιμνολογίας περιλαμβάνει πτυχές των βιολογικών, χημικών, φυσικών και γεωλογικών χαρακτηριστικών και λειτουργιών των εσωτερικών υδάτων (τρέχοντα και στάσιμα νερά, νωπά και αλατούχα, φυσικά και ανθρωπογενή). Αυτό περιλαμβάνει τη μελέτη των λιμνών, τεχνιτών λιμνών, ελών, ποταμιών, πηγών, υγροβιοτόπων και υπόγειων υδάτων. Μια πιο πρόσφατη υπο-αρχή της λιμνολογίας, που ονομάζεται λιμνολογία τοπίου (Landscape limnology), μελετά, διαχειρίζεται και επιδιώκει να συντηρήσει αυτά τα οικοσυστήματα χρησιμοποιώντας μια προοπτική τοπίου, εξετάζοντας ρητά τις συνδέσεις μεταξύ ενός υδάτινου οικοσυστήματος και της λεκάνης απορροής του. Πρόσφατα, η ανάγκη κατανόησης των παγκόσμιων εσωτερικών υδάτων ως μέρος του Γήινου Συστήματος δημιούργησε έναν υπο-κλάδο που ονομάζεται παγκόσμια λιμνολογία. Η προσέγγιση αυτή λαμβάνει υπόψη τις διεργασίες στα εσωτερικά ύδατα σε παγκόσμια κλίμακα, όπως ο ρόλος των εσωτερικών υδάτινων οικοσυστημάτων στους παγκόσμιους βιογεωχημικούς κύκλους.Η λιμνολογία συνδέεται στενά με την υδρόβια οικολογία και την υδροβιολογία, η οποία μελετά τους υδρόβιους οργανισμούς και τις αλληλεπιδράσεις τους με το αβιοτικό (μη διαβίωσης) περιβάλλον. Ενώ η λιμνολογία έχει ουσιαστική αλληλεπικάλυψη με τους κλάδους που επικεντρώνονται στο γλυκό νερό (π.χ. βιολογία γλυκού νερού), περιλαμβάνει επίσης τη μελέτη των εσωτερικών λιμνών αλατιού.

 Ο όρος λιμνολογία (αγγλικά: limnology‎) δημιουργήθηκε από τον François-Alphonse Forel (1841-1912) ο οποίος ίδρυσε το πεδίο με τις σπουδές του στη λίμνη της Γενεύης. Το 1922 επεκτάθηκε το ενδιαφέρον για την αρχή και το 1922 ο August Thienemann (γερμανικός ζωολόγος) και ο Einar Naumann (Σουηδός βοτανολόγος) ίδρυσαν τη Διεθνή Ένωση Λιμνολογίας (SIL, από την Societas Internationalis Limnologiae). Ο αρχικός ορισμός του Forel για την λιμνολογία, "η ωκεανογραφία των λιμνών", επεκτάθηκε για να συμπεριλάβει τη μελέτη όλων των εσωτερικών υδάτων και επηρέασε το έργο του Benedykt Dybowski στη λίμνη Βαϊκάλη. Κάποιοι διάσημοι πρώιμοι αμερικανοί λιμνολόγοι ήταν οι G. Evelyn Hutchinson και Ed Deevey. Στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν, οι Edward A. Birge, Chancey Juday και Arthur D. Hasler συνέβαλαν στην ανάπτυξη του Κέντρου Λιμνολογίας. Οι φυσικές ιδιότητες των υδρόβιων οικοσυστημάτων καθορίζονται με συνδυασμό θερμότητας, ρευμάτων, κυμάτων και άλλων εποχιακών περιβαλλοντικών συνθηκών. Η μορφομετρία ενός υδάτινου συστήματος εξαρτάται από το είδος του χαρακτηριστικού (όπως μια λίμνη, ποτάμι, ρέμα, υγροβιότοπος, εκβολές κ.λ.π.) και τη δομή της γης που περιβάλλει το σώμα του νερού. Οι λίμνες, για παράδειγμα, ταξινομούνται κατά τον σχηματισμό τους και οι ζώνες των λιμνών ορίζονται από το βάθος του νερού. Η μορφομετρία του ποταμού και του ρέματος οδηγείται από την υποκείμενη γεωλογία της περιοχής καθώς και από τη γενική ταχύτητα του νερού. Ένας άλλος τύπος υδάτινου συστήματος που εμπίπτει στη μελέτη της λιμνολογίας είναι οι εκβολές ποταμών. Οι εκβολές ποταμών είναι υδάτινα συστήματα που ταξινομούνται από την αλληλεπίδραση ενός ποταμού και του ωκεανού ή της θάλασσας. Οι υγροβιότοποι ποικίλουν σε μέγεθος, σχήμα και μοτίβο, ωστόσο οι πιο συνηθισμένοι τύποι, έλη, και βάλτοι συχνά κυμαίνονται ανάμεσα σε ρηχά, γλυκά νερά και ξηρά ανάλογα με την εποχή του χρόνου. Μία "ζώνη φωτός" είναι η έννοια του πώς η ποσότητα της διείσδυσης του ηλιακού φωτός στο νερό επηρεάζει τη δομή ενός υδάτινου σώματος. Αυτές οι ζώνες καθορίζουν διάφορα επίπεδα παραγωγικότητας σε ένα υδάτινο οικοσύστημα όπως μια λίμνη. Για παράδειγμα, το βάθος της στήλης ύδατος που το ηλιακό φως είναι ικανό να διεισδύσει και όπου η περισσότερη φυτική ζωή είναι σε θέση να αναπτυχθεί είναι γνωστή ως η φωτοτική ή η ευοφική ζώνη. Η υπόλοιπη στήλη νερού, η οποία είναι βαθύτερη και δεν λαμβάνει επαρκείς ποσότητες ηλιακού φωτός για την ανάπτυξη των φυτών, είναι γνωστή ως η αποθωτική ζώνη. Παρόμοια με την ζώνη φωτός, η θερμική διαστρωμάτωση ή η θερμική ζώνη είναι ένας τρόπος συγκέντρωσης τμημάτων του υδατικού σώματος μέσα σε ένα υδάτινο σύστημα που βασίζεται στη θερμοκρασία των διαφόρων στρωμάτων της λίμνης. Όσο λιγότερο "θορυβώδες" είναι το νερό, τόσο περισσότερο φως μπορεί να διεισδύσει και έτσι η θερμότητα μεταφέρεται βαθύτερα στο νερό. Η θέρμανση μειώνεται εκθετικά με βάθος στη στήλη νερού, επομένως το νερό θα είναι θερμότερο κοντά στην επιφάνεια αλλά πιο δροσερό καθώς κινείται προς τα κάτω. Υπάρχουν τρία κύρια τμήματα που ορίζουν τη θερμική διαστρωμάτωση σε μια λίμνη. Η επιλήμνια ζώνη (Epilimnion) είναι πλησιέστερη στην επιφάνεια του νερού και απορροφά ακτινοβολία μακράς και μικρής συχνότητας για να θερμάνει την επιφάνεια του νερού. Κατά τους πιο ψυχρούς μήνες, η διάτμηση του ανέμου μπορεί να συμβάλει στην ψύξη της επιφάνειας του νερού. Η θερμοκλίνια ζώνη (Thermocline) είναι μια περιοχή μέσα στη στήλη ύδατος όπου οι θερμοκρασίες του νερού μειώνονται ραγδαία. Το κάτω στρώμα είναι το υπολίμνιο, το οποίο τείνει να έχει το πιο κρύο νερό επειδή το βάθος του περιορίζει το φως του ήλιου από το να φτάσει σε αυτό. Σε εύκρατες λίμνες, η ψύξη επιφανειακών υδάτων με πτώση εποχής έχει ως αποτέλεσμα τον κύκλο εργασιών της στήλης ύδατος, όπου διακόπτεται η θερμοκλινία και το προφίλ θερμοκρασίας της λίμνης γίνεται πιο ομοιόμορφο. Η χημική σύνθεση του νερού στα υδάτινα οικοσυστήματα επηρεάζεται από τα φυσικά χαρακτηριστικά και τις διεργασίες, συμπεριλαμβανομένων των βροχοπτώσεων, του υποκείμενου εδάφους και των βράχων στη λεκάνη απορροής, τη διάβρωση, την εξάτμιση και την καθίζηση. Όλα τα σώματα νερού έχουν μια συγκεκριμένη σύνθεση τόσο οργανικών όσο και ανόργανων στοιχείων και ενώσεων. Οι βιολογικές αντιδράσεις επηρεάζουν επίσης τις χημικές ιδιότητες του νερού. Εκτός από τις φυσικές διεργασίες, οι ανθρώπινες δραστηριότητες επηρεάζουν έντονα τη χημική σύνθεση των υδρόβιων συστημάτων και την ποιότητα των υδάτων τους. Άζωτο και φωσφόρος Το άζωτο και ο φωσφόρος είναι οικολογικά σημαντικά θρεπτικά συστατικά σε υδάτινα συστήματα. Το άζωτο γενικά υπάρχει ως αέριο σε υδρόβια οικοσυστήματα, ωστόσο οι περισσότερες μελέτες ποιότητας νερού τείνουν να επικεντρώνονται στα επίπεδα νιτρικών, νιτρωδών και αμμωνίας. Οι περισσότερες από αυτές τις διαλυμένες ενώσεις αζώτου ακολουθούν ένα εποχιακό μοτίβο με μεγαλύτερες συγκεντρώσεις το φθινόπωρο και τους χειμερινούς μήνες σε σύγκριση με την άνοιξη και το καλοκαίρι. Ο φωσφόρος έχει διαφορετικό ρόλο στα υδρόβια οικοσυστήματα, καθώς αποτελεί έναν περιοριστικό παράγοντα στην ανάπτυξη του φυτοπλαγκτού λόγω των γενικά χαμηλών συγκεντρώσεων στο νερό. Ο διαλυμένος φωσφόρος είναι επίσης κρίσιμος για όλα τα ζωντανά πράγματα, συχνά περιορίζει πολύ την πρωτογενή παραγωγικότητα στα γλυκά ύδατα και έχει το δικό του χαρακτηριστικό περιβάλλον. Οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα Το διαλυμένο οξυγόνο και το διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα συζητούνται συχνά μαζί λόγω του συνδυασμένου ρόλου τους στην αναπνοή και τη φωτοσύνθεση. Οι συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου μπορούν να τροποποιηθούν με φυσικές, χημικές και βιολογικές διεργασίες και αντιδράσεις. Οι φυσικές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της ανάμιξης ανέμου, μπορούν να αυξήσουν τις συγκεντρώσεις του διαλυμένου οξυγόνου, ιδιαίτερα στα επιφανειακά νερά των υδάτινων οικοσυστημάτων επειδή η διαλυτότητα του οξυγόνου συνδέεται με τις θερμοκρασίες του νερού, οι μεταβολές της θερμοκρασίας επηρεάζουν τις συγκεντρώσεις του διαλυμένου οξυγόνου καθώς το θερμότερο νερό έχει μικρότερη ικανότητα να "συγκρατεί" το οξυγόνο ως ψυχρότερο νερό.Βιολογικά, τόσο η φωτοσύνθεση όσο και η αερόβια αναπνοή επηρεάζουν τις συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου. Η φωτοσύνθεση από τους αυτοτροφικούς οργανισμούς, όπως το φυτοπλαγκτόν και τα υδρόβια άλγη, αυξάνει τις συγκεντρώσεις του διαλυμένου οξυγόνου ενώ μειώνει ταυτόχρονα τις συγκεντρώσεις του διοξειδίου του άνθρακα, καθώς το διοξείδιο του άνθρακα λαμβάνεται κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης. Όλοι οι αερόβιοι οργανισμοί στο υδάτινο περιβάλλον λαμβάνουν διαλυμένο οξυγόνο κατά την αερόβια αναπνοή, ενώ το διοξείδιο του άνθρακα απελευθερώνεται ως παραπροϊόν της αντίδρασης αυτής. Επειδή η φωτοσύνθεση είναι περιορισμένη στο φως, τόσο η φωτοσύνθεση όσο και η αναπνοή συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της ημέρας, ενώ μόνο η αναπνοή λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια σκοτεινών ωρών ή σε σκοτεινά τμήματα οικοσυστήματος. Η ισορροπία μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης διαλυμένου οξυγόνου υπολογίζεται ως ο ρυθμός μεταβολισμού των υδάτων.Οι κατακόρυφες μεταβολές στις συγκεντρώσεις του διαλελυμένου οξυγόνου επηρεάζονται τόσο από την ανάμειξη των επιφανειακών υδάτων με αέρα όσο και από την ισορροπία μεταξύ της φωτοσύνθεσης και της αναπνοής της οργανικής ύλης. Αυτές οι κάθετες αλλαγές, γνωστές ως προφίλ, βασίζονται σε παρόμοιες αρχές όπως η θερμική διαστρωμάτωση και η διείσδυση του φωτός. Καθώς η διαθεσιμότητα φωτός μειώνεται βαθύτερα στη στήλη νερού, τα ποσοστά φωτοσύνθεσης επίσης μειώνονται και παράγεται λιγότερο διαλυμένο οξυγόνο. Αυτό σημαίνει ότι οι συγκεντρώσεις του διαλυμένου οξυγόνου γενικά μειώνονται καθώς μετακινείστε βαθύτερα στο σώμα του νερού, επειδή η φωτοσύνθεση δεν αναπληρώνει το διαλυμένο οξυγόνο που απορροφάται μέσω της αναπνοής. Αυτό συμβαίνει για παράδειγμα σε εύτροφες λίμνες κατά την καλοκαιρινή διαστρωμάτωση. Αντίθετα, στις ολιγοτροφικές λίμνες η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου τυπικά αυξάνεται με το βάθος στην καλοκαιρινή διαστρωμάτωση κι έτσι υπάρχουν οξικές συνθήκες στο υπολίμνιο. Κατά τη διάρκεια περιόδων θερμικής διαστρωμάτωσης, οι κλίσεις πυκνότητας νερού εμποδίζουν τα πλούσια σε οξυγόνο επιφανειακά νερά να αναμειχθούν με βαθύτερα νερά. Οι παρατεταμένες περίοδοι διαστρωμάτωσης μπορούν να οδηγήσουν στην εξάντληση του διαλυμένου οξυγόνου από τον πυθμένα του νερού. Όταν οι συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου είναι κάτω από 2 χιλιοστόγραμμα ανά λίτρο, τα ύδατα θεωρούνται υποξικά. Όταν οι συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου είναι περίπου 0 χιλιοστόγραμμα ανά λίτρο, οι συνθήκες είναι ανοξικές. Τόσο τα υποξικά όσο και τα ανοξικά ύδατα μειώνουν τον διαθέσιμο βιότοπο για τους οργανισμούς που αναπνέουν το οξυγόνο και συμβάλλουν στις αλλαγές σε άλλες χημικές αντιδράσεις στο νερό. Ένας τρόπος να ταξινομηθούν οι λίμνες (ή άλλοι οργανισμοί νερού) είναι με τον δείκτη τροφικής κατάστασης. Μια ολιγοτροφική λίμνη χαρακτηρίζεται από σχετικά χαμηλά επίπεδα πρωτογενούς παραγωγής και χαμηλά επίπεδα θρεπτικών συστατικών. Μια ευτροφική λίμνη έχει υψηλά επίπεδα πρωτογενούς παραγωγικότητας λόγω των πολύ υψηλών επιπέδων θρεπτικών ουσιών. Ο ευτροφισμός μιας λίμνης μπορεί να οδηγήσει σε ανθοφορία. Οι δυστροφικές λίμνες έχουν υψηλά επίπεδα χουμικού υλικού και τυπικά έχουν κίτρινο-καφέ νερά χρώματος τσαγιού. Αυτές οι κατηγορίες δεν έχουν άκαμπτες προδιαγραφές. Το σύστημα ταξινόμησης μπορεί να θεωρηθεί ως περισσότερο ένα φάσμα που περιλαμβάνει τα διάφορα επίπεδα υδρόβιας παραγωγικότητας. Βιολογία Βιογεωχημεία Υδρολογία