Limnología

La limnología (del griego λίμνη, limne, "lago" y λόγος, logos, "conocimiento") es el estudio de los ecosistemas acuáticos continentales. El estudio de la limnología incluye aspectos de las características biológicas, químicas, físicas y geológicas de los cuerpos de agua dulce y salada, naturales y artificiales. Esto incluye el estudio de lagos, embalses, estanques, ríos, manantiales, arroyos, humedales y aguas subterráneas. Los sistemas de agua a menudo se clasifican como corrientes (lóticos) o estancados (lénticos).

La limnología incluye el estudio de la cuenca de drenaje, el movimiento del agua a través de la cuenca y los cambios biogeoquímicos que ocurren en el camino. Una subdisciplina más reciente de la limnología, denominada limnología del paisaje, estudia, gestiona y busca conservar estos ecosistemas utilizando una perspectiva del paisaje, examinando explícitamente las conexiones entre un ecosistema acuático y su cuenca de drenaje. Recientemente, la necesidad de comprender las aguas continentales globales como parte del Sistema de la Tierra creó una subdisciplina llamada limnología global. Este enfoque considera procesos en aguas continentales a escala global, como el papel de los ecosistemas acuáticos continentales en los ciclos biogeoquímicos globales.

La limnología está estrechamente relacionada con la ecología acuática y la hidrobiología, que estudian los organismos acuáticos y sus interacciones con el entorno abiótico (sin vida). Si bien la limnología tiene una superposición sustancial con las disciplinas centradas en el agua dulce (p. ej., la biología del agua dulce), también incluye el estudio de los lagos salados del interior.

Historia

El término limnología fue acuñado por François-Alphonse Forel (1841-1912), quien estableció el campo con sus estudios del lago de Ginebra. El interés en la disciplina se expandió rápidamente y en 1922 August Thienemann (un zoólogo alemán) y Einar Naumann (un botánico sueco) cofundaron la Sociedad Internacional de Limnología (SIL, de Societas Internationalis Limnologiae). La definición original de limnología de Forel, "la oceanografía de los lagos", se amplió para abarcar el estudio de todas las aguas continentales e influyó en el trabajo de Benedykt Dybowski sobre el lago Baikal.

Los primeros limnólogos estadounidenses destacados incluyeron a G. Evelyn Hutchinson y Ed Deevey. En la Universidad de Wisconsin-Madison, Edward A. Birge, Chancey Juday, Charles R. Goldman y Arthur D. Hasler contribuyeron al desarrollo del Centro de Limnología.

Limnología general

Propiedades físicas

Las propiedades físicas de los ecosistemas acuáticos están determinadas por una combinación de calor, corrientes, olas y otras distribuciones estacionales de las condiciones ambientales. La morfometría de un cuerpo de agua depende del tipo de característica (como un lago, río, arroyo, humedal, estuario, etc.) y la estructura de la tierra que rodea el cuerpo de agua. Los lagos, por ejemplo, se clasifican por su formación y las zonas de los lagos se definen por la profundidad del agua. La morfometría del sistema de ríos y arroyos depende de la geología subyacente del área, así como de la velocidad general del agua. La morfometría de la corriente también está influenciada por la topografía (especialmente la pendiente), así como por los patrones de precipitación y otros factores como la vegetación y el desarrollo del suelo. La conectividad entre arroyos y lagos se relaciona con la densidad de drenaje del paisaje, el área superficial del lago y la forma del lago.

Otros tipos de sistemas acuáticos que caen dentro del estudio de la limnología son los estuarios. Los estuarios son cuerpos de agua clasificados por la interacción de un río y el océano o el mar. Los humedales varían en tamaño, forma y patrón; sin embargo, los tipos más comunes, pantanos, ciénagas y pantanos, a menudo fluctúan entre contener agua dulce poco profunda y estar secos según la época del año.

Interacciones de luz

La zonificación de la luz es el concepto de cómo la cantidad de luz solar que penetra en el agua influye en la estructura de un cuerpo de agua. 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 del sol puede penetrar y donde la mayoría de las plantas pueden crecer se conoce como zona fótica o eufótica. El resto de la columna de agua que es más profunda y no recibe suficiente cantidad de luz solar para el crecimiento de las plantas se conoce como zona afótica.

Estratificación térmica

Similar a la zonificación ligera, la estratificación térmica o la 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 esté el agua, más luz podrá penetrar y, por lo tanto, el calor se transportará a mayor profundidad en el agua. El calentamiento disminuye exponencialmente con la profundidad de la columna de agua, por lo que el agua estará más caliente cerca de la superficie pero progresivamente más fría a medida que desciende. Hay tres secciones principales que definen la estratificación térmica en un lago. El epilimnion está más cerca de 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 la temperatura del agua disminuye rápidamente.La capa inferior es el hipolimnio, que tiende a tener el agua más fría porque su profundidad restringe el alcance de la luz solar. En los lagos templados, el enfriamiento del agua superficial durante la temporada de otoño da como resultado un recambio de la columna de agua, donde se interrumpe la termoclina 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. Estos lagos son a menudo dimícticos, con un breve vuelco de primavera además de un vuelco de otoño más largo. La resistencia térmica relativa es la energía necesaria para mezclar estos estratos de diferentes temperaturas.

Presupuesto de calor del lago

Un balance de calor anual, también mostrado como θ _a, es la cantidad total de calor necesaria para elevar el 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) multiplicado por la diferencia entre las temperaturas de verano (θ _sz) e invierno (θ _wz) o A _z (θ _sz -θ _wz)

Propiedades químicas

La composición química del agua en los ecosistemas acuáticos está influenciada por características y procesos naturales que incluyen la precipitación, el suelo subyacente y el lecho rocoso en la cuenca de drenaje, la erosión, la evaporación y la sedimentación. Todos los cuerpos de agua tienen una cierta composición de elementos y compuestos tanto orgánicos como inorgánicos. Las reacciones biológicas también afectan las propiedades químicas del agua. Además de los procesos naturales, las actividades humanas influyen fuertemente en la composición química de los sistemas acuáticos y en la calidad del agua.

Oxígeno y dióxido de carbono

El oxígeno disuelto y el dióxido de carbono disuelto a menudo se analizan juntos debido a su función conjunta en la respiración y la fotosíntesis. Las concentraciones de oxígeno disuelto pueden ser alteradas por procesos y reacciones físicas, químicas y biológicas. Los procesos físicos, incluida la mezcla del viento, pueden aumentar las concentraciones de oxígeno disuelto, particularmente en las aguas superficiales de los ecosistemas acuáticos. Debido a que la solubilidad del oxígeno disuelto está relacionada con la temperatura del agua, los cambios de temperatura afectan las concentraciones de oxígeno disuelto, ya que el agua más cálida tiene una menor capacidad para "retener" oxígeno que el agua más fría. Biológicamente, tanto la fotosíntesis como la respiración aeróbica afectan las concentraciones de oxígeno disuelto.La fotosíntesis de los organismos autótrofos, como el fitoplancton y las algas acuáticas, aumenta las concentraciones de oxígeno disuelto y, al mismo tiempo, reduce las concentraciones de dióxido de carbono, ya que el dióxido de carbono se absorbe durante la fotosíntesis. Todos los organismos aeróbicos en el ambiente 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 del día, mientras que solo la respiración ocurre durante las horas de oscuridad o en las partes oscuras de un ecosistema. El equilibrio entre la producción y el consumo de oxígeno disuelto se calcula como la tasa de metabolismo acuático.

Los cambios verticales en las concentraciones de oxígeno disuelto se ven afectados tanto por la mezcla del viento con las aguas superficiales 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 los de 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 adentra en el cuerpo de agua debido a que la fotosíntesis no repone el oxígeno disuelto que se absorbe a través de la respiración.Durante los períodos de estratificación térmica, los gradientes de densidad del agua impiden que las aguas superficiales ricas en oxígeno se mezclen con 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 están por debajo de los 2 miligramos por litro, las aguas se consideran hipóxicas. Cuando las concentraciones de oxígeno disuelto son de 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.

Nitrógeno y fósforo

El nitrógeno y el fósforo son nutrientes ecológicamente significativos en los sistemas acuáticos. El nitrógeno generalmente está presente como gas en los ecosistemas acuáticos, sin embargo, la mayoría de los estudios de calidad del agua tienden a centrarse en los niveles de nitrato, nitrito y amoníaco. La mayoría de estos compuestos de nitrógeno disueltos siguen un patrón estacional con mayores concentraciones en los meses de otoño e invierno en comparación con la primavera y el verano. El fósforo tiene un papel diferente en los ecosistemas acuáticos, ya que es un factor limitante en el crecimiento del fitoplancton debido a las concentraciones generalmente bajas en el agua. El fósforo disuelto también es crucial para todos los seres vivos, a menudo es muy limitante para la productividad primaria en agua dulce y tiene su propio ciclo ecosistémico distintivo.

Propiedades biológicas

Clasificación trófica del lago

Una forma de clasificar los lagos (u otros cuerpos de agua) es con el índice de estado trófico. 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 la proliferación de algas. Los lagos distróficos tienen altos niveles de materia húmica y, por lo general, tienen aguas de color marrón amarillento y color té. Estas categorías no tienen especificaciones rígidas; el sistema de clasificación puede verse más como un espectro que abarca los diversos niveles de productividad acuática.

Organizaciones profesionales

Las personas que estudian limnología se llaman limnólogos. Estos científicos estudian en gran medida las características de los sistemas de agua dulce del interior, como lagos, ríos, arroyos, estanques y humedales. También pueden estudiar cuerpos de agua salada no oceánicos, como el Gran Lago Salado. Hay muchas organizaciones profesionales relacionadas con la limnología y otros aspectos de la ciencia acuática, incluida la Asociación para las Ciencias de la Limnología y la Oceanografía, la Asociación Ibérica de Limnología, la Sociedad Internacional de Limnología, la Sociedad Limnológica Polaca, la Sociedad de Limnólogos Canadienses y la Asociación Biológica de Agua Dulce.