Hidrológiai Közlöny 2005 (85. évfolyam)

6. szám - XLVI. Hidrobiológus Napok: Szélsőséges körülmények hatása vizeink élővilágára, Magyarországi kisvízfolyások ökológiai viszonyai Tihany, 2004. október 6–8.

183 Maucha Rezső (1884-1962) munkássága a mérnök szemléletében Vágás István 6726. Szeged, Székely sor 13/A Kivonat: Maucha Rezső nemzetközi hlrü hidrobiológus és vegyész a szélesebb értelmezésű hidrológia tudományit művelte. Biztosan bánt a matematika és fizika eszközeivel, a mérnöki módszerekkel és lelrásmódokkal. A vizi élővilág egyes folyamatait matematikailag jól leírható fizikai folyamatokkal igyekezett modelleket alkotva azonosítani, gazdagítva ezzel a mérnök gondolkodásmódját is. L A vizi élővilágban a fitoplankton állomány bőségének, és oxigén-termelési viszonyainak magyarázatában Maucha a beeső fény intenzitásának tulajdonított döntő jelentőséget. Tovább fejlesztette a fényintenzitás és a fitoplankton oxigén-termelése közötti sinus-függvény szerinti összefüggést: P = P

0. sin al, ha OZa.1 <n, és P = 0, ha CLIZÍI (1) Az összefüggésben: P = a fitoplankton időegység alatti oxigén (O2) termelése (mg/s), P

e m időegység alatti oxigén termelés az optimális fényintenzitás esetén (mg/s), / = a beeső fény intenzitása (W/m

2), Io - a maximális oxigén-termeléshez szükséges optimális fényintenzitás (W/m

J), a • id(2.Id, a szűgfüggvény szerinti számítás arányosító tényezője. A fény-intenzitások arányát Maucha a fény beesési szögeinek sinus függvénye arányával helvettesltette: m

1 - a naptávolságtól függő tényező, amely napközelben, ,|anüár 1jén 1,00000, naptávolban, július 2-án 0,92123, H - a fény napmagasság szerinti beesési szöge, Ho " a fény napmagasság szerinti beesési szöge az oxigén termelésre nézve optimális fényintenzitás idején, az egységnyi naptávolsági tényező érvényessége esetén. A fény-intenzitás optimális értékét Maucha kísérletileg is meghatározta 1950-ben: po = 8°47,3' és sin po = 0,15279. A napmagasság szöge a Föld bármely pontján bármely napon: sin n = sin <f . sin 5 + cos <p . cos 5 . cos t (3) ahol: <p = a földrajzi szélesség. S-a Nap tárgynapi delelésének földrajzi szélessége (deklináció), a csillagászati évkönyvekben megtalálhatóan, 1» a tényleges delelés időpontjától számított, szögegységben kifejezett idő (I óra - 15"). A vizek felszíne alatt az oldott, vagy lebegtetett anyagok, az élőlények, és maga a víz vastagsága is fény-elnyeléssel járhatnak, ezek módosíthatják a beesési szög idealizálható értékeit. Mindenképp értelmezhető azonban a napfénynek egy meghatározható beesési szöge, amelynél maximális a fitoplankton időegységre vonatkoztatott oxigén-termelése. A 8°47,3'-nak, sinus függvényében 0,15279-nek meghatározott optimális napfény beesési szög esetén a fény-intenzitás 1/0,15279 = 6,545-ször kevesebb, mint a Föld felszínén elérhető legkedvezőbb esetben, vagyis napközelben, és merőleges napállásnál. így a fitoplankton oxigén-termelésére nézve optimális fény-intenzitás, illetve az optimális napfény-beesési szög a Föld minden pontján kisebb nemcsak a Föld felszínén elérhető maximális értékénél, hanem az illető pontban lehetséges maximális értéknél is. IL A fitoplankton asszimilációjára a kémiai reakció-kinetika alapvető differenciál-egyenletei érvényesíthetők. Az asszimilációs folyamatban a hatóanyag a folyékony fázisban oldott szén-dioxid, amely a fitoplankton-algák belsejébe diffundál. A Nernst-Brunner szabály szerint az asszimiláció folyamatosságának feltétele, ha a diffiízió-scbcsség maximális értéke legalább akkora, mint az asszimiláció folyamat reakció-sebessége. Legyen D (m

2/s) a diffúziós állandó, k pedig az elsőfokú reakció sebességének alapértéke (s

1), akkor a fotoszintézis létrejöttéhez szükséges d alga-átmérő - az élőlényeket közelítésben gömb-alakúnak képzelve -Maucha szerint: A D diffúziós állandó nagyságrendileg lényegesen kisebb a k sebességi tényezőnél, így az algák test-átmérője - a tapasztalattal összhangban - kicsiny: néhány mikrométer. A szén-dioxid algatesten belüli koncentrációja arányos azzal az energiával, amit a Nap fénysugarai juttatnak az alga-testbe. Ez a koncentráció szélső esetben zérus is lehet, (amikor nincs fény, és nincs C0

2 diffúzió), viszont nem lehet több, mint az alga-testen kívüli vízben oldott szén-dioxid koncentráció. Legyen az alga-testen belül c(t) (mg/liter) a koncentráció, t időpontban meghatározható értéke. Ez az érték a fény megjelenésével egy kezdeti értékről növekedni kezd. A növekedésnek az optimális fény-intenzitás elérése szab határt Az optimális fény-intenzitás meghaladása azután a c(t) értékek csökkenésével jár. Ha tehát a C0

2 koncentráció változásának folyamata úgy zajlik le, hogy a fény-intenzitás változása idő-arányos, a c(t) függvény hasonlóan alakul, mint a rezgő mozgásoknál a rezgő pont helyzetének, illetve sebességének időbeli változása. Maucha ezért a rezgő mozgást választotta az asszimilációs folyamat modellezésére. Az asszimilációban részt vevő szén-dioxid meghatározott tömeg-mennyisége két részből tevődik össze: abból, ami már diffundált az alga-testbe, és amit arányosnak tekinthetünk a Nap-energiával, s az idővel is változónak - továbbá abból, ami a maximális koncentráció eléréséhez még diffundálhat az alga-testbe. Nyilván, ez az utóbbi tömeg is energia-arányos, mégpedig a még fel nem használt fény-energiával arányos mennyiségű. így tehát a koncentráció időbeli értékei helyzeti energiát és mozgási energiát jelképező adatként kaphatnak modellbeli értelmezést. A koncentrációknak a sinus-függvényével érvényesülő, fény-intenzitás által irányított asszimilációs folyamat útján értelmezett idealizált rezgő mozgása a mechanika elmozdulás fogalmát egy, az idővel arányos mennyiség sinus függvényébe viszi át, míg a mechanika impulzus fogalmát ugyanannak az idővel arányos mennyiségnek a cosinus-függvényébe. Az asszimilációs C0

2 koncentráció változások rezgő mozgás analógiájára történt leírása Maucha Rezső igen termékeny gondolatának bizonyult, s az időbeli, és a fény-intenzitás változásokra vonatkozó folyamat megértését is egyszerűsíti. III. A hőmérsékleti sugárzás energia-viszonyait Max Planck német fizikus a lineáris oszcillátor rezgéseire vezette vissza. Az energia-kisugárzás lehetséges értékei a hatáskvantum, h = 6,625 . 10'" J.s kísérleti úton meghatározott értékének egész számú többszörösei.