Przestrzenna i sezonowa zmienność stężeń CO 2 w jeziorze Wigry. Anna Paprocka Instytut Nauk Geologicznych Polska Akademia Nauk w Warszawie

Transkrypt

1 Przestrzenna i sezonowa zmienność stężeń CO 2 w jeziorze Wigry Anna Paprocka Instytut Nauk Geologicznych Polska Akademia Nauk w Warszawie

2 Cele prac: Zbudowanie modelu obiegu węgla w systemie jeziornym Wigry opartego o układ równań bilansowych masy i składu izotopowego dla poszczególnych składników systemu. Określenie wielkości transferu różnych form węgla pomiędzy lądem, atmosferą a środowiskiem wodnym i dennym badanego zbiornika Identyfikacja czynników kształtujących procesy związane z produktywnością biologiczną i respiracją, wytrącaniem i rozpuszczaniem minerałów węglanowych, utlenianiem i konserwacją materii organicznej w osadach oraz z wymianą dwutlenku węgla pomiędzy jeziorem i atmosferą Zrozumienia i scharakteryzowania mechanizmu węglanowego w wodzie jeziornej oraz jego roli w utrzymywaniu równowagi ekologicznej jeziora Wigry

3 Woda jeziorna Wody zasilające jezioro Wody odwadniające jezioro Osady jeziorne Punkty pomiarowe w różnych częściach jeziora rz. Czarna Hańcza rz. Piertanka wody podziemne rz. Czarna Hańcza Profile najmłodszych osadów Gazy w osadach

4 Woda jeziorna Wody zasilające jezioro Wody odwadniające jezioro Osady jeziorne Punkty pomiarowe w różnych częściach jeziora rz. Czarna Hańcza rz. Piertanka wody podziemne rz. Czarna Hańcza Profile najmłodszych osadów Gazy w osadach Podstawowe własności fizykochemiczne wody Pomiar PCO 2 [DIC] [ PIC] [DOC] [POC] 13 C-DIC 13 C-PIC 13 C-DOC 13 C-POC 18 O-H 2 O, D-H 2 O

5 Woda jeziorna Wody zasilające jezioro Wody odwadniające jezioro Osady jeziorne Punkty pomiarowe w różnych częściach jeziora rz. Czarna Hańcza rz. Piertanka wody podziemne rz. Czarna Hańcza Profile najmłodszych osadów Gazy w osadach Podstawowe własności fizykochemiczne wody 13 C-CaCO 3 PCO 2 Pomiar PCO 2 [DIC] [ PIC] [DOC] [POC] 13 C-DIC 13 C-PIC 13 C-DOC 13 C-POC 18 O-H 2 O, D-H 2 O 18 O-CaCO 3 %CaCO 3 %OM 13 C-CO 2 PCH 4 13 C-CH 4

6 Woda jeziorna Wody zasilające jezioro Wody odwadniające jezioro Osady jeziorne Punkty pomiarowe w różnych częściach jeziora rz. Czarna Hańcza rz. Piertanka wody podziemne rz. Czarna Hańcza Profile najmłodszych osadów Gazy w osadach Podstawowe własności fizykochemiczne wody 13 C-CaCO 3 PCO 2 Pomiar PCO 2 [DIC] [ PIC] [DOC] [POC] 13 C-DIC 13 C-PIC 13 C-DOC 13 C-POC 18 O-H 2 O, D-H 2 O 18 O-CaCO 3 %CaCO 3 %OM 13 C-CO 2 PCH 4 13 C-CH 4 Model obiegu węgla w systemie jeziornym Wigry

7 Lokalizacja punktów pomiarowych N Punkty pomiarowe i opróbowania: profili osadów

8 Lokalizacja punktów pomiarowych N Punkty pomiarowe i opróbowania: profili osadów wody jeziornej i gazów z dna wody rzecznej

9 Lokalizacja punktów pomiarowych N Punkty pomiarowe i opróbowania: profili osadów wody jeziornej i gazów z dna wody rzecznej wód podziemnych

10 Cele badań stężenia dwutlenku węgla w wodzie jeziora Wigry Scharakteryzowanie przestrzennego rozkładu [CO 2 ] w systemie jeziornym Wigry Zbadanie kierunku transferu dwutlenku węgla pomiędzy jeziorem i atmosferą oraz zmian PCO 2 aq/pco 2 atm w czasie Identyfikacja miejsc niekorzystnych dla ryb pod względem zawartości dwutlenku węgla w wodzie.

11 Reakcje dwutlenku węgla z wodą CO 2 atm CO 2 aq + H 2 O H 2 CO 3 H 2 CO 3 H + + HCO 3 - HCO 3 - H + + CO 3 2- I stopień dysocjacji II stopień dysocjacji rozpuszczony węgiel nieorganiczny (DIC) = CO 2 + H 2 CO 3 + HCO 3- + CO 3 2-

12 Metody pomiaru stężeń CO 2 w wodzie Metoda pośrednia obliczenia [CO 2 ] na podstawie przynajmniej dwóch z następujących parametrów: ph, TAlk, TDIC Metoda bezpośrednia równoważenie CO 2 pomiędzy fazą wodną i gazową

13 Schemat equilibratora powietrze [CO 2 ] = K H x PCO 2 eq gdzie: [CO2] stężenie CO 2 w wodzie K H stała Henry ego dla danej temperatury pompa powietrza PCO 2 eq ciśnienie parcjalne CO 2 w powietrzu w równowadze z CO 2 rozpuszczonym w wodzie analizator PCO 2 woda jeziorna pompa wodna

14 Czas równoważenia PCO 2 równowaga PCO 2 [ppm] ś2 ś 300 czas wykonywania pomiaru 0 4 min równowaga PCO 2 [ppm] czas wykonywania pomiaru 0 5 min

15

16

17

18

19

20 Stężenie CO 2 w jeziorze Wigry i w rzekach w okresie letnim (VIII IX) Stężenia CO 2 w warstwie przypowierzchniowej [µmol/l] -Stężenie CO 2 w warstwie przydennej [µmol/l] 282 -Najwyższe stężenia zmierzone w danym okresie [µmol/l] Stężenie CO 2 w większości polskich jezior < 230 µmol/l Stężenie CO 2 szkodliwe dla większości gatunków ryb > µmol/l

21 Stężenie CO 2 w jeziorze Wigry i w rzekach w okresie jesiennym (X XI) Stężenia CO 2 w warstwie przypowierzchniowej [µmol/l] -Stężenie CO 2 w warstwie przydennej [µmol/l] 886 -Stężenia szkodliwe dla ryb [µmol/l] Stężenie CO 2 w większości polskich jezior < 230 µmol/l Stężenie CO 2 szkodliwe dla większości gatunków ryb > µmol/l jezioro Staw hodowla ryb jezioro Czarne

22 Stosunek pomiędzy PCO 2 w wodzie w warstwie przypowierzchniowej jeziora Wigry (PCO 2 aq) a PCO 2 w powietrzu (PCO 2 atm) 2,9 Okres letni (VIII-IX) 1,5 1,0 1,0 0,7 1,0 2,9 PCO2aq / PCO2eq 1,3 0,8 6,93,8 2,9 0,7 1,0 1,0 PCO 2 aq / PCO 2 atm >1 (dyfuzja CO 2 do atmosfery) 1,0 PCO 2 aq / PCO 2 atm = 1 (równowaga) PCO 2 aq / PCO 2 atm < 1 (pochłanianie CO 2 z atmosfery) 1,2 1,2 1,3 1,3 1,2 1,0

23 Stosunek pomiędzy PCO 2 w wodzie w warstwie przypowierzchniowej jeziora Wigry (PCO 2 aq) a PCO 2 w powietrzu (PCO 2 atm) Okres jesienny (X-XI) 2,8 3,8 2,2 3,3 2,8 5,4 3,5 4,6 1,5 PCO2aq / PCO2eq PCO 2 aq / PCO 2 eq >1 (dyfuzja CO 2 do atmosfery) PCO 2 aq / PCO 2 eq = 1 (równowaga) 1,5 2,0 1,2 11,8 6,4 5,4 4,4 3,7 3,8 1,8 1,4 3,51,4 1,2 1,0 1,8 2,9

24 Zmiany PCO 2 powietrzu i w warstwie przypowierzchniowej wody jeziora Wigry od sierpnia do listopada 2008 r PCO 2 [µatm] sierpień wrzesień październik listopad PCO 2 w wodzie PCO 2 w powietrzu

25 Pionowy rozkład stężeń CO 2 w Zatoce Słupiańskiej w różnych porach dnia CO 2 [µmol/l] Głębokość wody [m] :00 7:00 h 14:00 15:00 h 19:00 20:00 h 25

26 Pionowy rozkład stężeń CO 2 w wodzie jeziora Wigry w okresie letnim (VIII-IX) i jesiennym (X-XI) CO 2 [µmol/l] CO 2 [µmol/l] Stężenia szkodliwe dla ryb Głębokość [m] ZCzH ZH ZZ Sz PW PWS B6 PD M WB GR ZU ZW J PD ZZ PW B6 ZH PW ZZ PWS ZCzH SZ 60 M WB 70 VIII-IX X-XI ZU x ZW J GR PD

27 Pionowy rozkład stężeń CO 2 w wodzie jeziora Wigry latem i jesienią w dwóch punktach pomiarowych (część północna i południowa) CO 2 [µmol/l] CO 2 [µmol/l] Głębokość [m] Głębokość [m] lato jesień południowa część jeziora lato jesień północna część jeziora

28 Pionowy rozkład podstawowych właściwości fizykochemicznych wody w Plosie Wigierskim - pomiary wykonywane w sierpniu i listopadzie 2008 r CO 2 [µmol/l] T[ C] O 2 [mg/l] ph ,5 8 8, Głębokość [m] sierpień listopad

29 Zależność pomiędzy stężeniem dwutlenku węgla a ph wody oraz stężeniem rozpuszczonego tlenu i rozpuszczonego węgla organicznego (DOC) w wodzie jeziora Wigry 9,0 ph 8,5 8,0 y = 9,8338x -0,0469 R 2 = 0,9761 7,5 25 7, [O 2 ] mg/l [DOC] mg/l wody rzeczne [CO 2 ] µmol/l [CO 2 ] µmol/l

30 13 C-DIC [ V-PDB] Skład izotopowy ( 13 C) rozpuszczonego węgla nieorganicznego (DIC) i rozpuszczonego węgla organicznego (DOC) w wodzie oraz dwutlenku węgla w osadach jeziora Wigry (CO 2sed ) [CO 2 ] µmol/l epilimnion - lato epilimnion - jesień metalimnion hypolimnion - lato hypolimnion - jesień ciek łączący Zatokę Uklei z hodowlą ryb rzeki wody podziemne Zatoka Uklei 13 C-CO 2sed [ V-PDB] [ V-PDB] 13 C-DOC głębokość wody [m] Zatoka Uklei [CO 2 ] µmol/l

31 Współczynnik nasycenia wody (SI) węglanem wapnia CaCO 3 SI -0,8-0,6-0,4-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 jesień lato Głębokość [m] jesień i lato rozpuszczanie CaCO 3 strącanie CaCO 3

32 Podsumowanie i wnioski: Latem stężenie dwutlenku węgla w jeziorze Wigry jest w równowadze lub bliskie równowagi ze stężeniem CO 2 w powietrzu. Jesienią woda w jeziorze Wigry jest znacznie przesycona dwutlenkiem węgla względem CO 2 atm. Powodem tego jest cyrkulacja wody w jeziorze oraz niższy stosunek produkcji biologicznej do respiracji w epilimnionie w porównaniu z okresem letnim. W okresie jesiennym jezioro jest więc emiterem dwutlenku węgla atmosfery. Przypuszcza się, że wody podziemne stanowią istotne źródło CO 2 w wodzie badanego jeziora. Najwyższe wartości stężenia CO 2 (20 35 razy wyższe niż w powietrzu) odnotowano jesienią w dwóch najbardziej wysuniętych na pd-zach zatokach: w Zatoce Uklei i Zatoce Wigierki, na głębokości od 13 m do dna. Tak wysokie stężenia CO 2 w obu zatokach mogą być szkodliwe dla życia ryb. Znaczne ilości CO 2 w Zatoce Uklei i Wigierki są dostarczane za pośrednictwem niewielkiego cieku łączącego Wigry z pobliską hodowlą ryb oraz cieku łączącego Wigry z jeziorem Czarnym. Strącanie węglanu wapnia odbywa się w epilimnionie jeziora Wigry, natomiast w hypolimnionie zaznacza się tendencja do rozpuszczania minerałów węglanowych.

33