AELS Aula de Estudio del Lago de Sanabria

ABSORCIÓN DE LA LUZ

AELS
Entrada coordinada por Dra. Caridad de Hoyos y Dr. Miguel Alonso

Transmisión y absorción de la radiación solar en el agua

La cantidad y calidad de energía lumínica que penetra en la columna de agua de un lago a partir de la radiación solar incidente en la superficie, sufre dos procesos básicos: una parte es dispersada y otra es absorbida. La disminución de esta energía radiante con la profundidad se denomina atenuación (Wetzel 1981, 2001).

Es importante para conocer la transparencia del agua de un lago comprender las propiedades de la absorción selectiva del agua, y su transformación en energía radiante o calor, en principio sobre el agua pura y después en el agua del lago que contiene además muchos otros elementos en disolución y suspensión.

La absorción de la luz monocromática en agua pura en función de la profundidad está basada en la expresión:

𝜂 = [Ln (I1) – Ln (I2)] / (z2 – z1)    –>   100 (I0 – Iz) / I0

siendo I0 la radiación solar perpendicular en superficie, Iz la radiación existente a una profundidad de z metros, y 𝜂 el coeficiente de extinción o atenuación de la luz en ese agua. En el agua pura aproximadamente el 55% de la energía es absorbida en el primer metro de la columna de agua, y después se extingue a la mitad de la existente con cada metro de profundidad; es decir es un proceso en escala logarítmica. Y es siempre dependiente de I0, es decir de la intensidad de la radiación en superficie que varía estacionalmente a lo largo del año, diariamente según la hora solar y en función de lo nublado que esté el cielo.

Además se puede calcular que la absorción porcentual de la radiación está relacionada con su longitud de onda, siendo mayor para las de onda más largas; es decir, que en las capas más superficiales se produce una extinción más rápida del rojo y naranja, siendo la absorción mínima para el azul.

Por lo tanto a medida que la luz penetra dentro de la columna de agua la absorción va siendo mayor selectivamente en cada tramo para una longitud de onda, es decir un color al ojo humano; el primero el rojo. En las siguientes profundidades se produce una mayor extinción del naranja y amarillo; luego del verde y el violeta, y finalmente de los azules.

Generalización del proceso de atenuación de la radiación solar incidente dentro del agua de una lago profundo.

«Es posible asegurar que el color natural del agua de un lago es el resultado de la dispersión de la luz desde el lago hacia arriba, después de haber atravesado el agua a distintas profundidades y de haber sufrido por el camino una absorción selectiva.» (Wetzel, 1981)

Expresando esta relación en escala logarítmica tendríamos la siguiente expresión:

z * ηz = Ln (I0) – Ln (Iz)

siendo η el coeficiente de extinción a una profundidad z, en metros. Este coeficiente es constante para cada longitud de onda y en la luz solar oscila entre 2,42 m-1 para el infrarrojo hasta 0,0255 m-1 para el ultravioleta.

Atenuación de la luz en un lago

Pero esta relación es imperfecta en el caso de un lago ya que la luz solar no es monocromática, sino que está compuesta por muchas longitudes de onda. Y además penetra en distintos ángulos y a lo largo de una columna de agua con materiales disueltos y en suspensión.

Esto modifica el coeficiente de atenuación total que finalmente está compuesto por tres factores: ηa, coeficiente del agua pura, ηs, coeficiente de las sustancias en suspensión (seston), y ηc, coeficiente de las sustancias en disolución (el color del agua).

ηtotal = ηa + ηs + ηc

Por lo tanto podemos decir que la intensidad de radiación que hay a una profundidad z, siguiendo la ley de Lambert-Beer dado que ha sufrido atenuación, es la siguiente:

Iz = I0 e -ηz

Y el coeficiente de atenuación de la luz a una profundidad z será de:

ηz = Ln (I0 / Iz) / z

Se compara en la tabla los valores medidos para el lago de Sanabria de coeficiente de atenuación medidos en cinco días diferentes y los obtenidos por Dodds (2002) para otros lagos de condiciones tróficas extremas. En los lagos menos productivos la cantidad de energía absorbida en el ecosistema en menor a través del gradiente de profundidad. En este ejemplo se muestran los cálculos en el intervalo de 1 m a 2 m de profundidad.

El paso de la luz del aire al agua lleva consigo la reflexión de una parte variable de la radiación, en función de la altura del sol (ángulo de incidencia 𝜙) y del movimiento de la superficie (oleaje). A medida que aumenta el ángulo de incidencia la reflexión o albedo se reduce.

Margalef (1983) calcula los siguientes valores de reflexión en función del ángulo 𝜙:

  • 𝜙 90º  –>  2%
  • 𝜙 30º  –>  6%
  • 𝜙 5º  –>  40%

Transparencia del agua de un lago a la luz

Existen instrumentos de analítica precisos y complejos para evaluar la extinción vertical y las características espectrales de la luz en los lagos y embalses. Sin embargo se ha validado empíricamente una evaluación aproximada de la transparencia del agua a la luz solar con una metodología muy sencilla y de muy bajo coste.

Fue ideada por el monje y científico italiano Pietro Angelo Secchi, y se basa en calcular el punto en el cual deja de verse un disco blanco o blanco y negro que se va hundiendo en el agua; y que ha tomado su nombre: disco de Secchi -DS-.

Tipos de disco de Secchi utilizados en limnología y oceanografía.

Es un método muy usado debido a su simplicidad y rapidez, lo que permite ser utilizado por todos los investigadores y hacer multitud de medidas a lo largo de una jornada de trabajo a muy bajo coste. No es una medida de precisión pero sí una aproximación muy fiable y rápida. Sin embargo tiene como mayor inconveniente que se trata de un método muy influenciado por las condiciones locales de iluminación y oleaje, y también al ojo del observador.

Es importante que la pintura del disco sea mate para propiciar que la dispersión de la luz existente a cada profundidad se disperse en todas direcciones.
Un aspecto metodológico que afecta mucho a la toma correcta de la medida de profundidad del DS es evitar la distorsión que produce la luz reflejada en la superficie, y también mejorar el contraste oscuro-claro aprovechando la sombra de la propia barca.

La transparencia calculada con el disco de Secchi -DS- puede a su vez ser utilizada para conocer la zona fótica del lago, una medida muy importante en el estudio de la producción primaria de la masa de agua y para conocer su estado ecológico.

Es posible hacer medidas DS desde apenas 40 cm en embalses muy turbios hasta casi 40 m en lagos alpinos de condiciones prístinas y aguas ultraoligotróficas.

Ejemplo de una medida de disco de Secchi (DS) de 6 m en un lago, lo que permite aproximar que la zona iluminada alcanza por lo menos los 15 m de profundidad.

Existe una correlación entre la medida DS y el porcentaje de transmisión de la radiación en la columna de agua. Aunque existen variaciones interanuales y estacionales en la transmisión de la luz en las masas de agua Octavio et al. (1977) calculan una relación entre el DS/η : 1,7 para aguas oceánicas (en French et al. 1982). Margalef (1983) y Wetzel (2001) aceptan utilizar un valor del factor de 1,7 en agua dulce y 1,45 en aguas saladas para calcular la extinción del 99% de la radiación incidente o punto de compensación de la luz en las aguas dulces. Este punto de la columna de agua define como zona eufótica la profundidad por debajo de la cual no es posible la fotosíntesis por falta de radiación fotosintéticamente activa (PAR).

¿ Cómo se calcula ese factor ?

· se ha relacionado empíricamente que ηtotal = K / DS, siendo K = 1,7 en el caso general validado por Rull et. al. para 98 embalses españoles en 1974 (en Margalef 1983).

· luego Iz/I0 = e -(1,7/DS)z

· y por lo tanto el punto donde I0 vale el 1% es:  0,01 = e -(1,7/DS)z

· de donde z = -Ln 0,01 (DS/1,7) = (4,6*DS)/1,7 = 2,7 *DS

y entonces la relación entre la profundidad DS y el punto de compensación 1% es un factor de 2,7 para extrapolar la potencia de la zona eufótica del lago. En la práctica se suele redondear la multiplicación a un factor K de 2,5; y esta es la cifra que habitualmente se utiliza en los seguimientos periódicos de calidad y de estado trófico que se realizan por la Administración del Agua a instancia de la Directiva Marco del Agua.

En el caso particular del lago de Sanabria la Dra. Caridad De Hoyos (1996) propone un factor de 2,44 a partir de técnicas de regresión entre los valores de intensidad luminosa medidas mediante un radiómetro Li-Cor con un sensor esférico y los valores DS en varios meses de muestreo de 1989 y 1991. Debido a la gran cantidad de sustancias húmicas que poseen las aguas de este lago calculó una constante de K= 2,42 (rango 2,1 – 2,6) en lugar del valor empírico de 1,7 admitido en el caso general. Por lo que en el caso particular del lago de Sanabria parece más preciso calcular la zona eufótica mediante la expresión Zeu = 1,92 (rango 2,19 – 1,77) * DS.

Según esto De Hoyos (1996) en las medidas directas de atenuación de la luz realizadas durante 5 días de 1989 y 1991 calcula que la distancia DS supone el 51% de la zona eufótica; debido en gran medida a que las sustancias húmicas y otras orgánicas e inorgánicas disueltas en el agua absorben especialmente en la región del azul y no en la zona del rojo. Mientras que los organismos con clorofila absorben principalmente en la región del azul y del rojo.

De esta manera se refuerza de una forma empírica que en Sanabria se debe utilizar un factor K algo menor que el propio para lagos más claros. Algo que también se recoge en la norma CEN europea para adaptar el cálculo a todo tipo de lagos, con recomendación de que se utilicen valores K en el rango 0,8 – 2,5; y para el caso de lagos húmicos (color > 30 mgPt L-1) no mucho mayores de 1. Lo que refuerza la necesidad de calcular de una forma más precisa este factor para el caso de la evolución estacional e interanual de la transparencia del agua en el lago de Sanabria.

Ver la entrada: Transparencia y estado ecológico

En lagos muy oligotróficos y transparentes la luz azul es predominante en la zona de compensación, mientras que en los lagos húmicos las longitudes más penetrantes son las rojas y en las orillas más someras la luz más abundante es la verde, por lo que el ecosistema se aprecia visualmente de un cierto color amarillento.

Hutchinson, 1957

Puedes leer más sobre esto en:

  • Hutchinson, G.E. 1957. A Treatise of Limnology. New York John Wiley & Sons. 
  • Wetzel, R.G. 1981. Limnología (Cap. 5). Ed. Omega.
  • Wetzel, R.G. 2001. Limnology (Chap. 5). Lake and River ecosystems. 3ª Ed. Elsevier.
  • Margalef R. 1983. Limnología. Ed. Omega.
  • De Hoyos C. 1996. Limnología del lago de Sanabria. Variabilidad interanual del fitoplancton. Tesis Doctoral. Universidad de Salamanca.
  • Dodds W.K. 2002. Freshwater Ecology. Concepts and Environmental Applications. Ed. Academic Press & Elsevier Science Imprint. San Diego EEUU. 351 pp. 

Y ampliar conocimientos en estas publicaciones (entre otras):

  • Davies-Colley R.J. & W.N. Vant. 1987. Absorption of light by yellow substance in freshwater lakes. Limnol. Oceanogr. 32(2): 416-425.
  • French R.H., Copper J.J. & Vigg S. 1982. Secchi disc relationships. Water Resources Bulletin 18(1): 121-123.
  • Markager S. 2000. Spectral light attenuation and the absortion of UV and blue light in natural waters. Limnol. Oceanogr. 45(3): 642-650.
  • Pfannkuche J., Meisel J. & Mietz O. 2000. Factors Affecting Clarity of Freshwater Lakes in Brandenburg, Germany. Limnologica 30: 311-321.
  • Armengol J., Caputo L. y otros  2003. Sau reservoir’s light climate: relationships between Secchi depth and light extinction coefficient.  Limnetica 22(1-2): 195-210. 
  • Thrane Jan-Erik, Dag O. Hessen & Tom  Andersen. 2014. The Absorption of Light in Lakes: Negative Impact of Dissolved Organic Carbon on Primary Productivity. Ecosystems 17(6): 1040–1052. 

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