TRANSPARENCIA Y ESTADO TRÓFICO

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

Relación de la transparencia del agua con el estado ecológico del lago

La transparencia del agua medida con el disco de Secchi permite estimar indirectamente el estado trófico del lago, en relación con la concentración de algas (fitoplancton). Sin embargo hay que tener en cuenta que existen otros factores de importancia en la atenuación de la radiación en la columna de agua además de las algas: los elementos de naturaleza orgánica e inorgánica (gaseosos o no) que se encuentran disueltos, y los materiales no vivos que se encuentran en suspensión (tripton).

La transparencia del agua en los lagos

A partir de la función básica de la ley de Beer-Lambert que relaciona la atenuación de la luz en función de la profundidad, Lorenzen (1980) propone una relación del tipo: 

 Iz / I0 = e -[x + yCloª] z 

donde x es la extinción no propia de la clorofila (en general los pigmentos fotosintéticos), el factor y es la extinción propia de la clorofila a y el factor Cloª es la concentración de esta sustancia.

Consultar la entrada : Absorción de la luz

Por lo tanto la extinción de la luz es debida a causas distintas e independientes por lo que en realidad el coeficiente de extinción η global responde a la suma de tres factores:

ηTotal = η agua + η clorofila + η partículas 

En función de esto Rull et al. (1984) establecen una relación empírica entre las medidas de extinción para todas las radiaciones (sin filtro y con filtros de los colores básicos rojo, azul y verde), la medida de profundidad de disco de Secchi (DS) y estos factores del agua en un numeroso grupo de masas de agua de toda España. Incluyendo el lago de Sanabria, para el que se calculó un valor de η= 0,295 m-1 en mayo de 1974.

En las siguientes gráficas se muestran los valores del coeficiente η para luz monocromática obtenidos en varios estudios del lago de Sanabria en comparación con uno de los lagos más transparentes del mundo, el lago Crater de Oregón según los datos de Utterback (1942). En el caso de Sanabria los datos de 1989 proceden de la tesis de la doctora De Hoyos (1996) y los de 1974 del trabajo de investigación de Rull et al. (1984).

Lago Sanabria (1989)52%
46%
44%
Lago Sanabria (1974)54%
53%
34%
Crater Lake (1942)3%
31%
6%

Valores de coeficientes de extinción (η) para luz monocromática (azul/rojo/verde) en varios estudios. Lago de Sanabria en 1989 (0,52/0,46/0,44 en de Hoyos, 1996) y en 1974 (0,54/0,53/0,34 en Rull et al. 1984) frente a uno de los lagos más transparentes del mundo, el Lago Crater (Oregon, EEUU) (0,033/0,31/0,06 en Utterback, 1942). En este lago se pueden medir profundidades DS superiores a 43 m y está a 1.220 metros de altitud.

Se aprecia como característica principal el patrón en Crater Lake de mayor extinción de las radiaciones rojas y mucho menores de las azules (similar al teórico para agua pura); mientras que en el lago de Sanabria el patón es contrario. Se extinguen con mayor intensidad la radiación azul y roja, y es la verde la que más penetra en las capas de agua.

Precisamente el uso de un flash en profundidad permite apreciar las diferencias entre una misma fotografía realizada con la totalidad del espectro de radiaciones de luz (dcha.) frente a la radiación existente a esa profundidad tras el proceso de atenuación en la columna de agua. Las siguientes fotografías se realizaron en el mes de septiembre a una profundidad de 2 m. Las que se muestran en la fila superior en condiciones de plena luminosidad en superficie; y las inferiores bajo la bóveda de hojas en una zona intensamente sombreada por la aliseda.

El color del agua

El color del agua, a pesar de ser un aspecto obvio para el ojo humano, es una parámetro difícil de cuantificar. Y que por otra parte responde a la presencia de elementos ajenos en su seno, ya que el agua pura es incolora.

Los valores de color del agua (pardo-amarillento, similar al color de una infusión de té) que se obtienen habitualmente en el lago de Sanabria no permiten encuadrarlo como distrófico (cuando se supera el valor 50 mg Pt l-1). Aunque sí son reflejo de una gran cantidad de materia orgánica disuelta, que probablemente procede mayoritariamente de las extensas superficies turbosas y arboladas de la cuenca (unas 12.500 ha de terreno).

Precisamente debido al color que habitualmente presentan estas aguas el cálculo de la zona bien iluminada o eufótica (Zeu) a partir de la medida DS se especificó para un factor multiplicador de 1,92 en el caso de este lago (de Hoyos, 1996), en lugar del 2,5 del caso general. Consultar la entrada : Absorción de la luz

En la propuesta realizada por de Hoyos (1996) la medida DS supone el 51% de los cálculos de la zona bien iluminada para las algas (Zeu) medida con radiómetro; mientras que esa precisión se reduce en el caso general, donde además se tiende a sobrestimar la profundidad hasta donde es posible la fotosíntesis.

Relación con la clorofila

Existe una constante de proporcionalidad entre la profundidad DS y el coeficiente de extinción η del tipo DS = K / η. Los valores DS medidos para el lago de Sanabria por Rull y colaboradores fueron de 6,5 m, de manera que K= 1,92. Y en ese momento midieron además una concentración de clorofila (Cloª) en el agua de 1,891 mg/m3.

En ese mismo trabajo se obtiene una relación promediada entre DS y concentración de clorofila del tipo 3,5 = DS * Cloª 0,17, mientras que de Hoyos (1996) con medidas de 1989 calcula dos tipos de relación. Una ecuación del tipo 7,9 = DS * Cloª 0,25 en los meses en los que el lago recibe gran cantidad de caudal (> 6 Hm3 mes-1) del Tera, y de 10,6 = DS * Cloª 0,3 para los de bajo caudal.

La explicación de estas diferencias se fundamentan en que para los momentos de grandes aportes de agua desde la Sierra Segundera los valores DS son menores en función del componente de sustancias disueltas coloreadas (ácidos húmicos y fúlvicos, y otras) provenientes de la descomposición vegetal en los suelos y de las turberas, y que son los responsables del color té que tiene el agua. Pero también, de otro material particulado alóctono al lago (orgánico e inorgánico) procedente del lavado de suelos o zonas incendiadas en la cuenca vertiente; o en su caso, del vaciado de los embalses serranos. Por ejemplo Morris & Hargreaves (1997) comprueban una gran relevancia de la fotodegradación de la materia orgánica disuelta (carbono orgánico -TOC-) en la transparencia a la radiación UV en los lagos.

De esta forma se comprueba la importancia del factor x en la ecuación de Lorenzen. Al igual que también Margalef y colaboradores (1976) lo indican para el caso de los embalses de la vertiente mediterránea con respecto a los de la atlántica. Para una misma cantidad de clorofila, los embalses de la vertiente atlántica, o de país silíceo, tienden a ser más transparentes, mientras que en los de la vertiente mediterránea, o de país calizo, existiera ordinariamente una mayor proporción de material mineral suspendido en el agua. 

Resumen esquemático de los tipos y cantidades (columnas negras) de radiación solar que absorbe principalmente cada grupo de seres microscópicos potencialmente presentes en el fitoplancton de todo el espectro que llega a la superficie del lago, en relación con las diferentes naturalezas y composiciones de pigmentos fotosensibles que poseen. (Fuente: elaboración propia)

“Es interesante conocer la distribución de la luz para explicar el comportamiento de las algas, ya que la fotosíntesis está limitada por la disponibilidad de la luz a una determinada profundidad que es diferente según las especies.” (de Hoyos, 1996)

DS y estado trófico del lago

A lo largo de las últimas décadas se ha debatido ampliamente sobre la exactitud de la generalización del estado ecológico -EE- de una masa de agua en lo que se refiere a la producción del fitoplancton (producción primaria) a partir de las medidas de la transparencia del agua, en general con el disco de Secchi. Se ha evidenciado la gran influencia de otros factores sobre la atenuación de la luz visible que se calcula con el disco debidos a otras partículas disueltas y suspendidas en el agua. De manera que en la actualidad los estudios más completos usan como indicadores para valorar el EE tanto la medida DS como la concentración de clorofila a y el biovolumen algal.

Consultar los datos de investigación del Programa Bianual Intensivo sobre el estado ecológico en 2016-17.

Existe consenso de validez y actualidad para los valores que permiten establecer el estado trófico de una masa de agua establecidos en OCDE (1982), y que han sido puestos a prueba y comprobados en multitud de lagos y conjuntos lacustres de todo el Planeta. Por ejemplo Nürnberg (1996) revisa las complejas relaciones entre la concentración de nutrientes, la anoxia, las comunidades de peces y de fitoplancton con el estado trófico de varios centenares de lagos, tanto de aguas claras como coloreadas.

Dodds (2002) recoge la relación directa entre el coeficiente η y las medidas de DS en 13 lagos de Oregon. Y obtiene valores inferiores a 0,5 m-1 para todos los lagos que pueden ser considerados meso y oligotróficos, en los que los valores de DS superan 3 y 6 m, respectivamente, según se indica en OCDE (1982).

Se muestra en este gráfico la clasificación del estado trófico de las masas de agua según los criterios científicos adoptados por OCDE (1982) en función de los valores del coeficiente de atenuación de la luz en el agua y los valores de profundidad de disco de Secchi obtenidos para 13 lagos de Oregón (puntos azules) y presentados en la Figura 3.7 de Dodds (2002).

Los valores obtenidos en el lago de Sanabria en los trabajos citados anteriormente están también comprendidos en esos rangos; que localizan sobre la gráfica anterior a esta masa de agua en condiciones de transición oligo-mesotrofia. En tal clasificación tiene gran importancia el color del agua y los episodios de suspensión de gran cantidad de seston en el agua, como se ha manifestado anteriormente.

En la siguiente gráfica se puede comprobar como los valores obtenidos en los trabajos científicos realizados hasta el momento en el lago de Sanabria lo sitúan históricamente, según la relación de estos parámetros DS/η, en una posición de transición entre la oligo y la mesotrofia.

Valores obtenidos en el lago de Sanabria en los trabajos de Rull et al (1984) y de De Hoyos (1996) para la relación entre la profundidad del DS y la atenuación de la luz, en relación con el estado trófico de la masa de agua según los criterios expresados en la gráfica anterior (ver más arriba).

Por lo tanto la reducción temporal de los valores DS que se puede constatar en la serie de datos 1986-2015 no responde únicamente a una pérdida de transparencia por incremento de fitoplancton. Con los datos de profundidad DS promedio de 6,4 m en los últimos 10 años parece que el estado trófico del lago de Sanabria se encuentra en la misma posición según esta variable que en las condiciones de referencia obtenidas en el periodo 1989-91.

Por lo tanto los cambios que se miden actualmente son resultado de una compleja combinación de factores que está siendo analizada a través de los demás objetivos del Programa Bianual Intensivo.

Puedes leer más sobre esto en:

  • 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.
  • OCDE 1982. Eutrophisation des eaux. Méthodes de Surveillance, d’Évaluation et de Lutte. Ed. Organisation for Economic Co-operation and develpment -OCDE-, Paris. 154 pp.
  • Kevin Rose.  Why are lakes different colors? Lakescientist

Y ampliar conocimientos en estas publicaciones (entre otras):

  • Rull V, Vegas T. & Navarro J. 1984. Extinción de la luz en los embalses españoles. Relaciones con la concentración de clorofila y las partículas en suspensión. Oecologia Aquatica 7: 25-36.
  •  Margalef R. y colaboradores.  1976. Limnología de los embalses españoles. Ed. Dirección General de Obras Hidráulicas. Ministerio de Obras Públicas. Madrid, 422 páginas + 30 láminas.
  • Morris D.P. & Hargreaves B.R. 1997. The role of photochemical degradation of dissolved organic carbon in regulating the UV transparency of three lakes on the Pocono Plateau. Limnology and Oceanography 42(2): 239–249.

ABSORCIÓN DE LA LUZ

disco de Secchi
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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