Óptica hidrológica: a “cor” das águas contribuindo para uma caracterização limnológica integrada.

A luz e a óptica

Olá pessoal! Quando o Vinicius entrou em contato solicitando uma contribuição para o blog, pensei em falar sobre algo que tenho trabalhado desde meu ingresso no mestrado, em 2005: a interação da matéria orgânica dissolvida (MOD) com a luz.

Do ponto de vista físico, o que chamamos de luz é apenas uma parte do espectro de radiação eletromagnética. Dentro desse espectro podemos identificar formas de radiação muito energéticas (ex.: raios γ (gama)) até formas de energia de baixa frequência e energia (ex.: ondas de rádio).

Apenas uma faixa desse vasto espectro de energia atinge a superfície terrestre. No entanto, a radiação eletromagnética que atinge a superfície Terrestre acaba sendo a principal fonte de energia para a manutenção dos ecossistemas do planeta, inclusive os aquáticos.

A óptica é o ramo da Física que estuda o comportamento da luz em um meio material qualquer e, nesse contexto, a óptica hidrológica está relacionada com o comportamento da luz no meio aquático. Em águas naturais, as propriedades ópticas podem ser divididas em aparentes (POAs) e inerentes (POIs), e ambas afetam a intensidade e a composição espectral do campo de luz subaquático através de processos de reflexão, absorção e dispersão.

As POAs de um ecossistema aquático resultam da interação entre a radiação solar e o corpo d’água e, portanto, são influenciadas pelas condições climáticas, hidrológicas e a situação específica da medida in situ (ex. profundidade, hora do dia, período do ano, albedo dos sedimentos ou dos substratos de fundo), além das propriedades ópticas inerentes ao ecossistema aquático.

Por sua vez, as POIs de um ecossistema aquático são afetadas pela água propriamente dita, pela matéria orgânica dissolvida cromófora (MODC), pelo fitoplâncton e pelo material particulado abiótico. Usualmente as propriedades ópticas inerentes são determinadas em laboratório e estudadas a partir de coeficientes ópticos, como os de absorção (a), dispersão (b), atenuação (c) e de inclinação espectral (S).

A matéria orgânica dissolvida cromófora

Um dos principais fatores responsáveis pelas POIs de um ecossistema aquático é a matéria orgânica dissolvida cromófora (MODC). A MODC trata-se da fração da matéria orgânica dissolvida que apresenta interação física com a luz, absorvendo a radiação luminosa em determinado comprimento de onda.

Essa propriedade  pode, por um lado, atenuar a radiação ultravioleta nociva aos organismos, mas, por outro lado, limitar a quantidade e a qualidade de luz para organismos fotossintetizantes.

Do ponto de vista molecular, os cromóforos orgânicos dissolvidos em águas naturais são constituídos por uma mistura variada de polímeros aromáticos e alifáticos derivados, principalmente, da decomposição da matéria orgânica vegetal , sendo a fração húmica a principal responsável pela absorção de luz.

As propriedades ópticas da MODC são frequentemente descritas através dos coeficientes de absorção (a_MODC) e de inclinação espectral (S), os quais podem ser utilizados para quantificar e caracterizar o pool de MODC em águas naturais. Sendo assim, a fração dissolvida de amostras de águas naturais têm sido utilizada para caracterizar estes coeficientes ópticos.

O coeficiente a representa a absorção da MODC em um determinado comprimento de onda ou intervalo espectral. Já o coeficiente S expressa a taxa de decréscimo de absorção da MODC em função do aumento do comprimento de onda em um dado intervalo espectral, ou seja, o quanto diminui a absorção de luz pela MODC conforme aumenta-se o comprimento de onda da radiação eletromagnética que incide sobre ela (lembrando que, quanto maior o comprimento de onda, menor a quantidade de energia presente na radiação eletromagnética).

A fluorescência da matéria orgânica dissolvida

Além da absorção, outra possibilidade de interação entre a radiação eletromagnética e a MOD é a emissão de fluorescência. Esse fenômeno ocorre quando as moléculas existentes no pool de MOD são irradiadas pela luz e têm seus elétrons excitados, atingindo um subnível mais energético na camada eletrônica.

Quando esses elétrons retornam ao seu estado basal de energia, as moléculas emitem essa energia na forma de fluorescência. A fração da MOD que emite fluorescência é denominada matéria orgânica dissolvida fluorófora (MODF).

Em virtude da grande diversidade molecular existente em águas naturais, usualmente temos diferentes intensidades de emissão de fluorescência, em diferentes comprimentos de onda, ocorrendo em resposta a diferentes comprimentos de onda de excitação.

A concentração e a composição química da MODF irão influenciar na intensidade e no formato do espectro de fluorescência.   Dessa forma, ao estudarmos a MODF em águas naturais devemos realizar uma varredura em determinada amplitude de excitação e captarmos a emissão de fluorescência em diferentes comprimentos de onda.

Esse tipo de análise gera uma matriz de dados de excitação e emissão, também conhecida como EEM. O tratamento matemático dessa matriz de dados pode nos fornecer informação bastante útil na caracterização da MOD em águas naturais.

Aplicações das propriedades ópticas da matéria orgânica dissolvida

Tanto os coeficientes ópticos a_MODC e S  da MODC quanto a MODF têm sido utilizados com relativo sucesso no estudo da MOD em ecossistemas aquáticos como, por exemplo, na inferência de fontes (autóctone e alóctone), tipos (lábil e recalcitrante), e alterações da matéria orgânica dissolvida, assim como na identificação de massas de água, em monitoramento de acidente ambiental, e no ajuste de algoritmos aplicados a estimativas de biomassa fitoplanctônica (clorofila) via sensoriamento remoto.

Estudos que utilizam a abordagem óptica para a compreensão da estrutura e funcionamento de ecossistemas aquáticos continentais ainda são bastante incipientes no Brasil e a utilização desta ferramenta pode vir a contribuir com o trabalho dos limnólogos na árdua tarefa de compreender tais ecossistemas.

É isso, pessoal! Espero que as informações tenham contribuído e, como abordado recentemente no nosso blog, talvez possam ser úteis nas futuras escolhas dos nossos projetos científicos.