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La estratificación de los lagos es la tendencia de estos a formar capas térmicas separadas y diferenciadas durante el clima cálido. Normalmente, los lagos estratificados muestran tres capas diferenciadas: el epilimnion , que comprende la capa superior cálida; la termoclina (o metalimnion), la capa intermedia, cuya profundidad puede cambiar a lo largo del día; y el hipolimnion , más frío, que se extiende hasta el fondo del lago.
Cada lago tiene un régimen de mezcla establecido que está influenciado por la morfometría del lago y las condiciones ambientales. Sin embargo, se ha demostrado que los cambios en las influencias humanas en forma de cambio de uso del suelo , aumentos de temperatura y cambios en los patrones climáticos alteran el momento y la intensidad de la estratificación en lagos de todo el mundo. [1] [2] El aumento de las temperaturas del aire tiene el mismo efecto en los cuerpos de los lagos que un cambio físico en la ubicación geográfica, siendo las zonas tropicales particularmente sensibles. [2] [1] Estos cambios pueden alterar aún más la composición de la comunidad de peces, zooplancton y fitoplancton , además de crear gradientes que alteran la disponibilidad de oxígeno disuelto y nutrientes. [3] [4]
La estratificación térmica de los lagos se refiere a un cambio en la temperatura a diferentes profundidades en el lago, y se debe a la densidad del agua que varía con la temperatura. [5] El agua fría es más densa que el agua caliente y el epilimnion generalmente consiste en agua que no es tan densa como el agua en el hipolimnion. [6] Sin embargo, la temperatura de máxima densidad para el agua dulce es de 4 °C. En las regiones templadas donde el agua del lago se calienta y se enfría a lo largo de las estaciones, se produce un patrón cíclico de vuelco que se repite de año en año a medida que el agua fría y densa en la parte superior del lago se hunde (ver estratificación estable e inestable ). Por ejemplo, en los lagos dimícticos, el agua del lago se renueva durante la primavera y el otoño. Este proceso ocurre más lentamente en aguas más profundas y, como resultado, puede formarse una barra térmica . [5] Si la estratificación del agua dura períodos prolongados, el lago es meromíctico .
El calor se transporta muy lentamente entre las capas mixtas de un lago estratificado, donde la difusión del calor de un solo metro vertical tarda aproximadamente un mes. La interacción entre la atmósfera y los lagos depende de cómo se distribuye la radiación solar, por lo que la turbulencia del agua, causada principalmente por la tensión del viento, puede aumentar en gran medida la eficiencia de la transferencia de calor. [7] En lagos poco profundos, la estratificación en epilimnion, metalimnion e hipolimnion a menudo no ocurre, ya que el viento o el enfriamiento causan una mezcla regular durante todo el año. Estos lagos se denominan polimícticos . No hay una profundidad fija que separe los lagos polimícticos y estratificados, ya que además de la profundidad, esto también está influenciado por la turbidez, la superficie del lago y el clima. [8]
El régimen de mezcla de lagos (por ejemplo, polimíctico, dimíctico, meromíctico) [9] describe los patrones anuales de estratificación de lagos que ocurren en la mayoría de los años. Sin embargo, los eventos de corto plazo también pueden influir en la estratificación de los lagos. Las olas de calor pueden causar períodos de estratificación en lagos poco profundos y mezclados, [10] mientras que los eventos de mezcla, como las tormentas o la descarga de grandes ríos, pueden romper la estratificación. [11] Las condiciones climáticas inducen una respuesta más rápida en lagos más grandes y menos profundos, por lo que estos lagos son más dinámicos y menos comprendidos. Sin embargo, los regímenes de mezcla que se sabe que existen en lagos grandes y poco profundos son en su mayoría diurnos, y la estratificación se altera fácilmente. El lago Taihu en China es un ejemplo de un lago grande, diurno y poco profundo, donde, aunque la profundidad no alcanza más de 3 metros (9,8 pies), la turbidez del agua del lago sigue siendo lo suficientemente dinámica como para estratificarse y desestratificarse debido a la absorción de la radiación solar principalmente en la capa superior. [12] La tendencia a la alteración de la estratificación afecta la tasa de transporte y consumo de nutrientes, lo que a su vez afecta la presencia de crecimiento de algas. [13] Los regímenes de estratificación y mezcla en los lagos más grandes de la Tierra también son poco comprendidos, pero los cambios en las distribuciones térmicas, como el aumento de las temperaturas que se encuentra con el tiempo en las aguas profundas del lago Michigan , tienen la capacidad de alterar significativamente los ecosistemas de agua dulce más grandes del planeta. [14]
Investigaciones recientes sugieren que los lagos dimícticos cubiertos de hielo estacionalmente pueden describirse como "crioestratificados" o "criomícticos" según sus regímenes de estratificación invernal. [15] Los lagos crioestratificados exhiben una estratificación inversa cerca de la superficie del hielo y tienen temperaturas promedio en profundidad cercanas a los 4 °C, mientras que los lagos criomícticos no tienen termoclina debajo del hielo y tienen temperaturas invernales promedio en profundidad más cercanas a los 0 °C. [16]
Los procesos de circulación durante los períodos de mezcla provocan el movimiento de oxígeno y otros nutrientes disueltos, distribuyéndolos por todo el cuerpo de agua. [7] En lagos donde predominan los organismos bentónicos, la respiración y el consumo de estos organismos que se alimentan del fondo pueden superar las propiedades de mezcla de los lagos fuertemente estratificados, lo que da como resultado zonas de concentraciones extremadamente bajas de oxígeno y nutrientes cerca del fondo. Esto puede ser perjudicial para los organismos bentónicos, como los mariscos, que en los peores casos pueden acabar con poblaciones enteras. [17] La acumulación de dióxido de carbono disuelto en tres lagos meromícticos en África ( el lago Nyos y el lago Monoun en Camerún y el lago Kivu en Ruanda ) es potencialmente peligrosa porque si uno de estos lagos se desencadena en una erupción límnica , una gran cantidad de dióxido de carbono puede salir rápidamente del lago y desplazar el oxígeno necesario para la vida de las personas y los animales en el área circundante.
En latitudes templadas, muchos lagos que se estratifican durante los meses de verano se desestratifican durante el clima más frío y ventoso, y la mezcla de la superficie por el viento es un factor importante en este proceso. Esto se conoce a menudo como "renovación otoñal". La mezcla del hipolimnio en el cuerpo de agua mezclado del lago recircula los nutrientes, en particular los compuestos de fósforo, atrapados en el hipolimnio durante el clima cálido. También plantea un riesgo de caída de oxígeno, ya que un hipolimnio establecido durante mucho tiempo puede ser anóxico o tener muy poco oxígeno .
Los regímenes de mezcla de los lagos pueden cambiar en respuesta al aumento de las temperaturas del aire. Algunos lagos dimícticos pueden convertirse en lagos monomícticos, mientras que otros lagos monomícticos pueden volverse meromícticos, como consecuencia del aumento de las temperaturas. [18]
Se han utilizado muchos tipos de equipos de aireación para desestratificar térmicamente los lagos, en particular los lagos sujetos a bajo oxígeno o floraciones de algas indeseables. [19] De hecho, los administradores de recursos naturales y ambientales a menudo se enfrentan a problemas causados por la estratificación térmica de lagos y estanques. [6] [20] [21] Las muertes de peces se han asociado directamente con gradientes térmicos, estancamiento y cubierta de hielo. [22] El crecimiento excesivo de plancton puede limitar el uso recreativo de los lagos y el uso comercial del agua del lago. Con una estratificación térmica severa en un lago, la calidad del agua potable también puede verse afectada negativamente. [6] Para los administradores de pesquerías , la distribución espacial de los peces dentro de un lago a menudo se ve afectada negativamente por la estratificación térmica y en algunos casos puede causar indirectamente grandes muertes de peces importantes para la recreación. [22] Una herramienta comúnmente utilizada para reducir la gravedad de estos problemas de gestión de lagos es eliminar o disminuir la estratificación térmica a través de la aireación del agua . [20] La aireación ha tenido cierto éxito, aunque rara vez ha demostrado ser una panacea. [21]
Cada lago tiene un régimen de mezcla establecido que está influenciado por la morfometría del lago y las condiciones ambientales. Sin embargo, se ha demostrado que los cambios en las influencias humanas en forma de cambios en el uso del suelo, aumentos de las temperaturas y cambios en los patrones climáticos alteran el momento y la intensidad de la estratificación en lagos de todo el mundo. [1] [2] Estos cambios pueden alterar aún más la composición de la comunidad de peces, zooplancton y fitoplancton, además de crear gradientes que alteran la disponibilidad de oxígeno disuelto y nutrientes. [3] [4]
Existen diversas formas en las que los cambios en el uso humano del suelo influyen en la estratificación de los lagos y, en consecuencia, en las condiciones del agua. La expansión urbana ha llevado a la construcción de carreteras y casas cerca de lagos que antes estaban aislados, lo que a veces ha provocado un aumento de la escorrentía y la contaminación. La adición de material particulado a los cuerpos de los lagos puede reducir la claridad del agua , lo que da como resultado una estratificación térmica más fuerte y temperaturas promedio de la columna de agua más bajas en general, lo que eventualmente puede afectar la aparición de la capa de hielo. [23] La calidad del agua también puede verse influenciada por la escorrentía de sal de las carreteras y las aceras, que a menudo crea una capa salina bentónica que interfiere con la mezcla vertical de las aguas superficiales. [4] Además, la capa salina puede evitar que el oxígeno disuelto llegue a los sedimentos del fondo, lo que disminuye el reciclaje de fósforo y afecta a las comunidades microbianas. [4]
A escala global, el aumento de las temperaturas y los cambios en los patrones climáticos también pueden afectar la estratificación de los lagos. El aumento de las temperaturas del aire tiene el mismo efecto en los cuerpos de los lagos que un cambio físico en la ubicación geográfica, siendo las zonas tropicales particularmente sensibles. [2] [1] La intensidad y el alcance del impacto dependen de la ubicación y la morfometría del lago, pero en algunos casos puede ser tan extremo como para requerir una reclasificación de monomíctico a dimíctico (por ejemplo, el Gran Lago del Oso). [2] A nivel global, la estratificación de los lagos parece ser más estable con termoclinas más profundas y empinadas, y la temperatura promedio del lago como un determinante principal en la respuesta de la estratificación a las temperaturas cambiantes. [1] Además, las tasas de calentamiento de la superficie son mucho mayores que las tasas de calentamiento del fondo, lo que nuevamente indica una estratificación térmica más fuerte en los lagos. [1]
Los cambios en los patrones de estratificación también pueden alterar la composición de la comunidad de los ecosistemas lacustres. En lagos poco profundos, el aumento de temperatura puede alterar la comunidad de diatomeas; mientras que en lagos profundos, el cambio se refleja en los taxones de la capa de clorofila profunda. [3] Los cambios en los patrones de mezcla y el aumento de la disponibilidad de nutrientes también pueden afectar la composición y abundancia de las especies de zooplancton, mientras que la disminución de la disponibilidad de nutrientes puede ser perjudicial para las comunidades bentónicas y el hábitat de los peces. [3] [4]
En los lagos templados del norte, a medida que el cambio climático continúa causando una mayor variabilidad en los patrones climáticos, así como en el momento de las fechas de formación y deshielo, los cambios posteriores en los patrones de estratificación de un año a otro también pueden tener impactos en múltiples niveles tróficos . [24] [25] [26] Las fluctuaciones en la consistencia de la estratificación pueden acelerar la desoxigenación de los lagos, la mineralización de nutrientes y la liberación de fósforo, lo que tiene consecuencias significativas para las especies de fitoplancton. [26] [27] Además, estos cambios en la composición y abundancia de las especies de fitoplancton pueden provocar efectos adversos en el reclutamiento de peces , como la lucioperca . Cuando estas asincronías en las poblaciones de depredadores y presas ocurren año tras año debido a los cambios en la estratificación, las poblaciones pueden tardar años en recuperar su consistencia "normal". [27] Combinado con temperaturas de los lagos típicamente más cálidas asociadas con los patrones de estratificación provocados por el cambio climático, las poblaciones de presas variables de un año a otro pueden ser perjudiciales para las especies de peces de agua fría. [28]