Limnología

La zonificación lumínica es el concepto de cómo la cantidad de luz solar que penetra en el agua influye en la estructura de un cuerpo de agua. ^{[ 13 ]} Estas zonas definen varios niveles de productividad dentro de un ecosistema acuático como un lago. Por ejemplo, la profundidad de la columna de agua que la luz solar puede penetrar y donde la mayor parte de la vida vegetal puede crecer se conoce como zona fótica o eufótica . El resto de la columna de agua, que es más profunda y no recibe suficiente luz solar para el crecimiento de las plantas, se conoce como zona afótica . ^{[ 13 ]} La cantidad de energía solar presente bajo el agua y la calidad espectral de la luz presente a diferentes profundidades tienen un impacto significativo en el comportamiento de muchos organismos acuáticos. Por ejemplo, la migración vertical del zooplancton está influenciada por los niveles de energía solar. ^{[ 16 ]}

Similar a la zonificación de la luz, la estratificación térmica o zonificación térmica es una forma de agrupar partes del cuerpo de agua dentro de un sistema acuático en función de la temperatura de las diferentes capas del lago. Cuanto menos turbia sea el agua, más luz podrá penetrar y, por lo tanto, el calor se transportará a mayor profundidad. ^{[ 17 ]} El calentamiento disminuye exponencialmente con la profundidad en la columna de agua, por lo que el agua estará más caliente cerca de la superficie, pero se enfriará progresivamente a medida que se desciende. Hay tres secciones principales que definen la estratificación térmica en un lago. El epilimnio es el más cercano a la superficie del agua y absorbe la radiación de onda larga y corta para calentar la superficie del agua. Durante los meses más fríos, la cizalladura del viento puede contribuir al enfriamiento de la superficie del agua. La termoclina es un área dentro de la columna de agua donde las temperaturas del agua disminuyen rápidamente. ^{[ 17 ]} La capa inferior es el hipolimnio , que tiende a tener el agua más fría porque su profundidad restringe que la luz solar la alcance. ^{[ 17 ]} En los lagos templados, el enfriamiento de la superficie del agua durante el otoño produce una mezcla de la columna de agua, donde la termoclina se altera y el perfil de temperatura del lago se vuelve más uniforme. En climas fríos, cuando el agua se enfría por debajo de 4  °C (la temperatura de máxima densidad), muchos lagos pueden experimentar una estratificación térmica inversa en invierno. ^{[ 18 ]} Estos lagos suelen ser dimícticos , con una breve mezcla primaveral además de una mezcla otoñal más prolongada. La resistencia térmica relativa es la energía necesaria para mezclar estos estratos de diferentes temperaturas. ^{[ 19 ]}

Un balance térmico anual, también representado como θ _a , es la cantidad total de calor necesaria para elevar la temperatura del agua desde su temperatura mínima de invierno hasta su temperatura máxima de verano. Esto se puede calcular integrando el área del lago en cada intervalo de profundidad (A _z ) multiplicada por la diferencia entre las temperaturas de verano (θ _sz ) e invierno (θ _{wz ) o}${\displaystyle \displaystyle \int }$A _z (θ _sz -θ _wz ) ^{[ 19 ]}

El oxígeno disuelto y el dióxido de carbono disuelto se suelen analizar conjuntamente debido a su función conjunta en la respiración y la fotosíntesis . Las concentraciones de oxígeno disuelto pueden verse alteradas por procesos y reacciones físicas, químicas y biológicas. Los procesos físicos, como la mezcla producida por el viento, pueden aumentar las concentraciones de oxígeno disuelto, especialmente en las aguas superficiales de los ecosistemas acuáticos. Dado que la solubilidad del oxígeno disuelto está ligada a la temperatura del agua, los cambios de temperatura afectan a las concentraciones de oxígeno disuelto, ya que el agua más caliente tiene menor capacidad para retener oxígeno que el agua más fría. ^{[ 22 ]} Biológicamente, tanto la fotosíntesis como la respiración aeróbica afectan a las concentraciones de oxígeno disuelto. ^{[ 17 ]} La fotosíntesis realizada por organismos autótrofos , como el fitoplancton y las algas acuáticas , aumenta las concentraciones de oxígeno disuelto y, al mismo tiempo, reduce las de dióxido de carbono, puesto que este último se absorbe durante la fotosíntesis. ^{[ 22 ]} Todos los organismos aeróbicos del medio acuático absorben oxígeno disuelto durante la respiración aeróbica, mientras que el dióxido de carbono se libera como subproducto de esta reacción. Debido a que la fotosíntesis está limitada por la luz, tanto la fotosíntesis como la respiración ocurren durante las horas de luz , mientras que solo la respiración ocurre durante las horas de oscuridad o en las zonas oscuras de un ecosistema. El equilibrio entre la producción y el consumo de oxígeno disuelto se calcula como la tasa metabólica acuática . ^{[ 23 ]}

Los cambios verticales en las concentraciones de oxígeno disuelto se ven afectados tanto por la mezcla de aguas superficiales por el viento como por el equilibrio entre la fotosíntesis y la respiración de la materia orgánica . Estos cambios verticales, conocidos como perfiles, se basan en principios similares a la estratificación térmica y la penetración de la luz. A medida que la disponibilidad de luz disminuye a mayor profundidad en la columna de agua, las tasas de fotosíntesis también disminuyen y se produce menos oxígeno disuelto. Esto significa que las concentraciones de oxígeno disuelto generalmente disminuyen a medida que se avanza a mayor profundidad en el cuerpo de agua porque la fotosíntesis no repone el oxígeno disuelto que se absorbe a través de la respiración. ^{[ 17 ]} Durante los períodos de estratificación térmica, los gradientes de densidad del agua impiden que las aguas superficiales ricas en oxígeno se mezclen con las aguas más profundas. Los períodos prolongados de estratificación pueden provocar el agotamiento del oxígeno disuelto en el agua del fondo; cuando las concentraciones de oxígeno disuelto son inferiores a 2 miligramos por litro, las aguas se consideran hipóxicas . ^{[ 22 ]} Cuando las concentraciones de oxígeno disuelto son aproximadamente 0 miligramos por litro, las condiciones son anóxicas . Tanto las aguas hipóxicas como las anóxicas reducen el hábitat disponible para los organismos que respiran oxígeno y contribuyen a cambios en otras reacciones químicas en el agua. ^{[ 22 ]}

El nitrógeno es un nutriente fundamental para el funcionamiento de los ecosistemas acuáticos. Generalmente, el nitrógeno se presenta como un gas disuelto ₍ N₂ ) , sin embargo, debido al alto requerimiento energético de su utilización, _la mayoría de los organismos tienden a no utilizarlo. ^{[ 24 ]} Por lo tanto, la mayoría de los estudios sobre la calidad del agua tienden a centrarse en los niveles de nitrato , nitrito y amoníaco . ^{[ 13 ] [ 24 ]} La mayoría de estos compuestos nitrogenados disueltos siguen un patrón estacional, con mayores concentraciones en los meses de otoño e invierno en comparación con la primavera y el verano . ^{[ 13 ]}

Otro nutriente importante en los sistemas acuáticos es el fósforo . El fósforo tiene un papel diferente en los ecosistemas acuáticos, ya que es un factor limitante en el crecimiento del fitoplancton debido a sus bajas concentraciones en el agua. ^{[ 13 ]} El fósforo disuelto también es crucial para todos los seres vivos, a menudo limita mucho la productividad primaria en agua dulce y tiene su propio ciclo ecosistémico distintivo . ^{[ 17 ]}

Los lagos "son relativamente fáciles de muestrear, porque tienen límites bien definidos (en comparación con los ecosistemas terrestres) y porque los experimentos de campo son relativamente fáciles de realizar", lo que los hace especialmente útiles para los ecólogos que intentan comprender la dinámica ecológica. ^{[ 25 ]}

Una forma de clasificar los lagos (u otros cuerpos de agua) es mediante el índice de estado trófico . ^{[ 2 ]} Un lago oligotrófico se caracteriza por niveles relativamente bajos de producción primaria y bajos niveles de nutrientes . Un lago eutrófico tiene altos niveles de productividad primaria debido a niveles muy altos de nutrientes. La eutrofización de un lago puede provocar floraciones de algas . Los lagos distróficos tienen altos niveles de materia húmica y suelen tener aguas de color amarillo-marrón, color té. ^{[ 2 ]} Estas categorías no tienen especificaciones rígidas; el sistema de clasificación puede verse más bien como un espectro que abarca los diversos niveles de productividad acuática.