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Planeta Cambiante: Actividad de Clase Calentamiento de los Lagos Globales

Resumen:
Los estudiantes observan modelos de estratificación de agua relacionada con la diferencia de densidad para entender os mecanismos de la estratificación térmica. Los estudiantes entonces analizan e interpretan datos de perfiles de temperatura de los Grandes Lagos para ubicar capas térmicas importantes en la columna de agua y determinar si ha ocurrido el mezclado del lago. Aplican sus interpretaciones a los ecosistemas lacustres. Materials:
Fuente:
Adaptado por los miembros del equipo de NESTA/Ventanas al Universo Missy Holzer, Jennifer Bergman, y Roberta Johnson a partir de recursos de Ventanas al Universo y de una Lección de los Grandes Lagos (Lecciones de los Grandes Lagos, Enseñando con Datos de los Grandes Lagos, www.greatlakeslessons.com). Los datos son obtenidos del Laboratorio de Investigación Ambiental de los Grandes Lagos de NOAA, Ann Arbor, MI, con agradecimiento especial a Gregory Lang por su asistencia.
Grade level:
7-9, aunque puede ser adaptado a grados superiores utilizando las extensiones.
Duración:
Introducción: 10 minutos

Parte 1: Demostración del maestro de un modelo de temperatura de lagos: 30 minutos

Parte 2: Análisis e interpretación de los perfiles de temperatura: 50 minutos

Tiempo total de la lección: 90 minutos

Resultados en el aprendizaje de los alumnos:
  • Los estudiantes usan materiales básicos de laboratorio para explorar los modelos de estratificación de agua dulce.
  • Los estudiantes analizan perfiles de temperatura (temperatura del agua vs. profundidad) del Lago Superior.
  • Los estudiantes identifican las posiciones de las principales capas de agua en el lago y determinan si ha ocurrido mezclado.
  • Los estudiantes correlacionan la falta de mezclado de las aguas del lago con los efectos en la población pesquera del lago.
Formato de la Lección:
Investigación manual & actividad de modelación, incluyendo análisis e interpretación de gráficos.

Pautas Nacionales Observadas:

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  • Estándares de los Contenidos de Ciencia 5-8: Estructura del Sistema Terrestre
  • Estándares de los Contenidos de Ciencia 5-8: Propiedades y cambios en la materia
  • Estándares de los Contenidos de Ciencia 5-8: Diversidad y adaptaciones de los organismos
  • Estándares de los Contenidos de Ciencia 9-12: Interacciones de energía y materia
  • Estándares de los Contenidos de Ciencia 9-12: Energía en el Sistema Terrestre
  • INSTRUCCIONES:

    1. Para recibir una información general sobre el calentamientos de lagos mayores, vea el episodio de Planeta Cambiante, Temperatura de los Grandes Lagos. También explore estos tópicos en el sitio web de Ventanas al Universo.
    2. Reúna los materiales e imprima la hoja de trabajo y los perfiles de temperatura. Alternativamente, los estudiantes pueden completar la lección en sus diarios. Use su formato actual para los diarios y ayude a los estudiantes a establecer un método claro para recoger las observaciones. Pídales que dejen un espacio después delas observaciones en el que puedan interpretar y explicar lo que han observado en la lección.
    3. Inicie la lección preguntando a los estudiantes sobre su comprensión de la densidad. Use la demostración llamada "Explorando Densidad con Sal y Agua Fresca: Par 5" en el sitio web de Ventanas al Universo. En la discusión, mencione que la estratificación no sólo ocurre en los océanos, también en lagos y lagunas.
    4. Introduzca el concepto de estratificación lacustre y los términos utilizados para definir las 3 capas principales de agua: epilimnion (también conocida como zona limnética o fótica, la capa superficial cálida), metalimnion (o zona profunda, capa media en la que temperatura desciende rápidamente y es a veces llamada termoclina), y, finalmente, hipolimnion (o zona bentónica, la fría capa del fondo).
    5. Distribuya la hoja de trabajo del estudiante. Para modelar los términos anteriores, llene uno de los frascos de agua fría hasta el tope, y un segundo frasco con agua caliente, agregue colorante amarillo al agua fría, y colorante azul a la caliente. Pida a los estudiantes que escriban una hipótesis sobre que ocurriría si se pone la boca (abierta) de uno de los frascos sobre la boca abierta del otro. Permita que los estudiantes compartan entre ellos sus hipótesis. Cubra la boca de cada frasco con una tarjeta bibliográfica, e invierta un frasco sobre el otro y cuidadosamente retire la tarjeta. Pida a los estudiantes que observen y hagan un esquema con las capas epilimnion, metalimnion e hipolimnion correctamente identificadas. Ponga cuidadosamente los dos frascos sobre la superficie de trabajo y repita el procedimiento con otros dos frascos llenos de agua tibia ambos, y después llenos de agua fría. Una vez que complete estos dos experimentos, regrese a los dos frascos originales y permita que los estudiantes realicen nuevas observaciones después que cierto tiempo ha pasado. Después de completar esta demostración muestre a los estudiantes una imagen de una estratificación lacustre similar a la que aparece más abajo, y discuta como el modelo que acaban de observar es similar a un gran lago. Imagen cortesía de Michigan Sea Grant, www.miseagrant.umich.edu

    6. Los estudiantes analizarán los datos 2010 de perfiles de temperatura del Lago Superior para localizar las capas y el mezclado. El Lago Superior es un lago profundo y por tanto un excelente ejemplo para identificar las capas del lago y sus zonas de mezclado. Muestre a los estudiantes una foto del Lago Superior usando imágenes de Google Earth u otro programa similar. Las coordenadas del punto de recolección de datos son 48.05479°N and 87.74523°W, y la profundidad en ese punto es 255m. Explique a los estudiantes que los científicos están estudiando la temperatura del lago en una columna colectando datos a diferentes profundidades a través de todo el año, y con esos datos crean los perfiles gráficos.
    7. Es posible que los estudiantes nunca hayan visto antes gráficos de perfiles de temperatura. Es por esto importante evaluar sus habilidades para hacerlos, antes de seguir a la siguiente parte de la lección. Distribuya los perfiles y pida a los estudiantes identificar los parámetros en los ejes "X" e "Y". Pídales que hagan comentarios generales de todos los perfiles. Use sus comentarios para evaluar como interpretan los perfiles, y corrija cualquier error.
    8. Haga que los estudiantes trabajen en equipos de 2 ó 3 para interpretar los perfiles usando como guía las preguntas en la hoja de trabajo. Recuerde, esto puede ser adaptado para usar el diario de los estudiantes.
    9. Los estudiantes podrían tener la concepción errónea de que los lagos no contienen oxígeno, y que los organismos en los lagos no requieren oxígeno para sobrevivir. Los cambios estacionales en la temperatura del agua y en los patrones del tiempo en estos lagos influencian la calidad y cantidad de oxígeno para los organismos que viven en el agua. El mezclado del agua lacustre contribuye a la distribución del oxígeno de la superficie a la capa hipolimnion, pero durante el verano la profundidad dela calidad epilimnion obstaculiza el suministro de oxígeno fresco a la hipolimnion. Por esta razón, la vida marina en el hipolimnion depende de las reservas de oxígeno, que pueden disminuir rápidamente por el uso por la vida marina y con la descomposición de la materia orgánica. Esta escasez de oxígeno en el hipolimnion, acoplada con la disminución de oxígeno en la epilimnion puede provocar la aparición de zonas muertas que pueden ser hipóxicas (menos de 2 mg/l) o anóxicas (no oxígeno). Los estudiantes considerarán estos conceptos en la interpretación final de los perfiles de temperatura. Es también importante notar que la dinámica del lago (como y cuando se invierte) cambia en función de diversos factores, incluyendo proximidad al ecuador y la profundidad del lago.
    10. Revise las respuestas al cuestionario, e invierta algún tiempo en discutir los impactos potenciales de la demora del mezclado de las aguas en los ecosistemas lacustres. Pida a los equipos de estudiantes que investiguen los requerimientos de oxígeno de las diversas especies marinas.

    EVALUACIONES:

    A manera de evaluación, prepare una actividad utilizando datos de tiempo real disponibles del Sistema de Predicción Costera de los Grandes Lagos. Busque eventos actuales relacionados con este tópico, y evalúe las habilidades de los estudiantes para interpretar los detalles destacados en los artículos basados en lo aprendido en esta lección.

    LAB SAFETY:

    Siempre use prácticas de laboratorio seguras.

    CLEAN-UP:

    Bote el agua en el fregadero, y guarde los materiales ya secos para futuras actividades de laboratorio.

    ACTIVIDADES DE EXTENSIÓN:

    Visite el sitio web las Lecciones de los Grandes Lagos y pulse sobre el módulo "Zona Muerta" para que tenga acceso a actividades adicionales relacionadas con este tópico.

    INFORMACIÓN DE FONDO:

    Hay consenso científico acerca del hecho de que el clima global se está calentando debido a la adición de gases de invernadero que atrapan el calor, los que están incrementando dramáticamente en la atmósfera debido a resultas de las actividades humanas. Se le ha dado mucha importancia a los efectos del calentamiento global en el océano -- el nivel del mar está aumentando , el agua del mar se está haciendo más ácida, y la circulación oceánica está cambiando debido al derretimiento del hielo marino. ¿Pero sabía que también los lagos de la Tierra están siendo afectados por el calentamiento?

    Un estudio de la NASA publicado en Noviembre 2010, exploró las tendencias de temperatura de 167 grandes lagos de todo el mundo. Se reportó un razón de incremento promedio de 0.45 grados Celsius (0.81 grados Fahrenheit) por década, con algunos lagos calentándose tanto como 1 grado Celsius (1.8 grados Fahrenheit) por década. La tendencia al calentamiento fue global. Mientras los mayores incrementos fueron encontrados en lagos de medias a altas latitudes de Norte América, incrementos fueron observados en Norte América, Sur América, Europa, Asia, África y Australia.

    Los científicos están apenas comenzando a estudiar y entender las implicaciones del incremento de las temperaturas en los ecosistemas lacustres. Un área de preocupación es el hecho de que el incremento de temperatura en un lago resulta en un aumento de de la floración de algas . Las algas son encontradas naturalmente en ecosistemas lacustres, y es la base de la cadena alimenticia acuática. Pero cuando la cantidad de algas aumenta dramáticamente, una floración ocurre. Algunas floraciones no son dañinas, sólo poco atractivas. El agua en un área así se ve turbia, huele y hasta sabe mal (cuando se extrae agua de esa fuente para purificación y beber). Otras veces, las floraciones de algas pueden ser tóxicas para los peces y otros organismos acuáticos, animales salvajes y domésticos que usan esa fuente de agua, y los humanos. Los humanos pueden experimentar gastroenteritis (si la toxina es ingerida), irritación de los pulmones (si la toxina se convierten aerosol), o de la piel (si el alga/toxina estocada, por ejemplo, cuando se está nadando) .

    También se ha mostrado que el incremento de las temperaturas de los lagos favorece las especies invasivas encontradas en los lagos. En la región de los Grandes Lagos, dos ejemplos de especies invasoras bajo escrutinio son los mejillones cebra y las lampreas. Se ha observado que los mejillones cebra abundan en aguas más cálidas, lo que significa que pueden extender su rango de hábitat a latitudes cada vez más altas. Las lampreas se hacen más y más grandes en aguas más cálidas, y permanecen activas por la mayor parte del año. Ambas especies son consideradas pestes que están matando las especies nativas, comiendo el alimento de las especies nativas, o en el caso de los mejillones cebra, causando millones y millones de dólares en daños a estructuras y vehículos acuáticos.

    NASA fue capaz de estudiar un gran número de lagos en el estudio con la ayuda de datos satelitales. Estos descubrimientos están de acuerdo con lo que se reporta desde la superficie. Por ejemplo, científicos Rusos y Americanos han estado estudiando el Lago Baikal en Siberia por más de 60 años. El Lago Baikal contiene el 20 % del agua dulce del mundo, y es tan grande que podría contener toda el agua de los Grandes Lagos de Norteamérica. Es el lago más profundo del mundo y también el más viejo (25 millones de años). Los datos del lago muestran que las aguas de la superficie se han calentado significativamente y que la cadena alimenticia ha experimentado cambios dramáticos. Muchos temen que el calentamiento global ya ha alcanzado este remoto lugar, especialmente considerando que el Lago Baikal acoge más de 2 500 especies de plantas y animales, incluyendo la foca de agua, sólo encontrada aquí.

    En un lugar tan diferente de Siberia como pueda haberlo, los científicos han encontrado más evidencias del calentamiento global -- en el Lago Tanganica al este de África. Los geólogos han determinado que el lago ha experimentado un calentamiento sin precedente durante el último siglo; de hecho, de acuerdo a las muestras extraídas, es lo más caliente que ha estado en los últimos 1 500 años. Los científicos esperan que a medida que el lago se caliente, la productividad pesquera declinará. Esto se debe en buena medida a la estratificación lacustre que muchos grandes lagos están sufriendo. El lago, uno de los ecosistemas de agua dulce más ricos del mundo, se divide en dos niveles. La mayor parte de las especies animales vive en los 100 metros superiores, incluyendo las valiosas sardinas que representan el alimento de muchos viviendo en el área. El lago depende de los vientos para mezclar sus aguas y enviar nutrientes como nitrógeno y fósforo de las profundidades a la superficie. Estos nutrientes son el alimento para las algas, de las que depende toda la cadena alimenticia del lago. Pero a medida que el Lago Tanganica se calienta, la diferencia en temperatura (y densidad) incrementa, y el mezclado de las aguas disminuye, y menos nutrientes son enviados de las profundidades a la superficie. Unos 10 millones de personas viven cerca del lago, y dependen de él para agua potable y alimento. El incremento de temperatura del Lago Tanganica cambiará cómo la gente come, vive y hace dinero.

    Muchos de los mismos problemas están siendo estudiados por científicos en Lago Superior, el mayor, más profundo y mas frío de los Grandes Lagos. Por área superficial, es el mayor lago de agua dulce del mundo. El Dr. Jay Austin encabeza un equipo de investigadores del Observatorio delos Grandes Lagos (Universidad de Minnesota) estudiando el Lago Superior. Uno de las maneras de estudiar el lago es con boyas. Las boyas contienen instrumentos que miden cosas como temperatura del aire, temperatura del agua, nubosidad, velocidad y dirección del viento, todas las cosas que controlan como la energía es transferida de la atmósfera al lago. Dr. Austin menciona que las temperaturas de verano del lago han saltado en 4-4.5 grados Fahrenheit en los últimos 30 años. En este complejo sistema, hay muchos factores interconectados difíciles de estimar. Una básica suposición es que mayores temperaturas significan menos hielo en invierno en Lago Superior. Con menos hielo, la superficie del lago es más obscura, el albedo es menor, más energía solar es absorbida, y menos es reflejada (de lo que sería por el hielo blanco). Esta mayor energía provoca que más hielo se derrita, lo cual provoca que más hielo se derrita, y esto, en turno, provoca que más energía sea absorbida y mayor calentamiento. Con este calentamiento ocurre mayor evaporación de las aguas del lago. Esto, en turno, resulta en niveles de agua más bajos. Niveles lacustres más bajos representan una preocupación para los dueños de propiedades en los lagos, la industria naviera, y bajos niveles también afectan las tomas y salidas de agua en el lago (incluso la filtración a las aguas subterráneas ), y la vida salvaje.

    El Lago Baikal, Lago Tanganica y Lago Superior no son casos aislados - el calentamiento global afecta la temperatura de lagos en todo el mundo. Mucho de estos lagos están experimentando los indeseables efectos del calentamiento global como floración de algas, incremento de especies invasivas, disminución de la productividad pesquera y menores niveles acuáticos. Obviamente, se necesitan más atención y estudios en estas importantes áreas donde tanta gente vive y trabaja.

    SECCIONES RELACIONADAS DEL PORTAL DE WINDOWS TO THE UNIVERSE:

    Clima Terrestre y Cambio Global
    Efectos Actuales del Cambio Climático
    Incremento de Temperatura en Grandes Lagos
    Agua de la Tierra
    Lagos
    Calentamiento Global Afecta los Mayores Lagos de Agua Dulce del Mundo
    El Lago Tanganica del Este de África se está Calentando Más que Nunca Antes

    OTRAS FUENTES:

    Datos Corrientes de los Grandes Lagos
    Estratificación Estacional de Lagos
    Agua en la Web
    Animación Disminución de Oxígeno

    Última modificación el 2 de febrero de 2011 por Roberta Johnson.

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