3. circulación oceánica y...
TRANSCRIPT
Módulo I: Motores de la Biosfera
Capítulo 13El ciclo hidrológico
Joaquim BallabreraInstitut de Ciències del Mar, CSIC, Barcelona
3. Circulación Oceánica y Clima
26 A
bsor
bed
by a
tmos
pher
e
Introducción
El agua es el único compuesto químico que puede encontrarse en sus tres fases (hielo, agua, vapor) en condiciones ambientales normales en nuestro planeta.
El agua se encuentra en movimiento constante en lo que se conoce como ciclo hidrológico o ciclo del agua.
El ciclo del agua se compone de: i) un conjunto de reservorios que contienen agua en alguna de sus fases; y ii) los flujos de agua entre reservorios.
El motor del ciclo del agua es la energía recibida del sol.
Los cambios de fase a lo largo del ciclo hidrológico movilizan grandes cantidades de energía termodinámica(calores latentes).
Introducción
Condensación y congelación liberan calor, mientras que evaporación y descongelación acumulan similares cantidades de calor.
Evaporación tiene lugar principalmente en el océano y sobre las masas continentales. La evaporación transfiere calor latente a la atmósfera, que se libera cuando el vapor de agua se condensa.
El vapor de agua es el principal gas de efecto invernadero y absorbe radiaciones solares y terrestres. Las nubes afectan el balance radiativo.
EL CICLO DEL AGUA ES UNO DE LOS ELEMENTOS CRUCIALES DEL CLIMA TERRESTRE
El ciclo del agua
Reservorio es un concepto que representa un cierto volumen de agua que se halla en uno de los diferentes estadios del ciclo del agua.
Algunos reservorios contienen agua dulce y son de vital importancia para su uso por animales y vegetales.
0,000040,0006Biosfera0,00010,0017Ríos0,0010,013Atmósfera0,0050,065Humedad del suelo0,010,125Lagos0,689,5Agua freática2,0529Hielos97,251370Océanos
PorcentajeVolúmen*Reservorio
*(106 km3)
El ciclo del agua
El ciclo del agua no tiene principio ni fin, pero la mayor transferencia de agua es evaporación de agua oceánica.
Océanos
Suelo
AtmósferaE
= 3
61
1012 m3/year
P =
324
P = 99
E = 62
E = 37
HielosFreáticaLagosRiosHumedadBiosfera
Peixoto and Oort (1991)
P :: ¿Qué porcentaje de la precipitación global tiene lugar en el océano?
Evaporación menos precipitación3
2
Volumen lluviaPUnidad área×tiempo
m mm s s
= = =
El ciclo del agua
El tiempo de residencia es el tiempo promedio que una molécula de agua pasa en un mismo reservorio. Es una medida de la edad del agua en ese reservorio.
Se estima a partir de dividir volumen entre transporte o mediante datación isotópica.
9 díasAtmósfera2 – 6 mesesRíos10.000 añosFreática profunda
100 – 200 añosFreática superficial1 – 2 mesesHumedad del suelo2 – 6 mesesNieve estacional
20 – 100 añosGlaciares3.200 añosOcéanos
Tiempo de residenciaReservorioP :: Calcular el tiempo de residencia del agua en el océano a partir de los datos siguientes:
Volumen : 1370 x 106 km3.Flujo: 361 x 1012 m3/year.
El ciclo del agua
La edad del agua, su origen, e incluso su movimiento a través del ciclo del agua, puede medirse a partir de las proporciones isotópicas de las moléculas de agua.
El oxígeno más habitual en aire, agua y suelo es 16O. (Sólo una molécula de cada 500 es 18O).
Al ser más ligero, 16O se evapora más, aumentando la concentración de 18O en el líquido restante.
El océano es rico en 18O; lluvia y nieve ricas en 16O.A mayor temperatura, mayor cantidad de 18O que se
evapora: Hielo con déficit de 18O indica que el agua se evaporó durante un periodo frío.
También se utiliza la datación por radiocarbono de las partículas orgánicas presentes en el reservorio.
El ciclo del agua
A cada instante de tiempo, moléculas de agua abandonan la fase líquida mientras otras abandonan la fase gaseosa. El aire se satura cuando existe un balance entre las moléculas que se evaporan y las que se condensan.
Composición aire: 80% Nitrógeno, 20% Oxígeno, 1% vapor agua
El ciclo del agua
P :: ¿Qué pesa más, el aire seco o el aire húmedo?
Calcular el peso molecular aparente del aire seco y del vapor del agua.
La composición del aire es aproximadamente: 80% Nitrógeno, 20% Oxígeno
Pesos atómicos:
16O14N
1H
Peso molecular
Elemento
El ciclo del agua
Ley de Dalton: La presión total del sistema es igual a la suma de las presiones que cada gas ejerce (presión parcial):
Composición aire: 80% Nitrógeno, 20% Oxígeno, 1% vapor agua
2 2 2Ptotal N O H O dp p p p e= + + ≡ +
El ciclo del agua
Humedad específica: La cantidad de vapor en kg que hay en 1 kg de aire (seco y húmedo):
2 2
2
H O H O
d H O
Mq
M Mρρ
= =+
d dp p e p p e= + ⇒ = −Ley de Dalton
Ley de gases ideales
2 2
2 0.622
d d d
H O H O
dH O
p R Te R T
R T
ρρ
ρ
=
=
=
2
2
2
2
18.0 0.62228.9
dd
H OH O
H Od
H O d
RRM
RRM
MRR M
=
=
= = =
Ecuación de estado
20.622 1 0.378d H O
d d d
p e e p eR T R T R T p
ρ ρ ρ⎛ ⎞−
= + = + = −⎜ ⎟⎝ ⎠
¿Qué le pasa a la densidad al aumentar la presión parcial de vapor, si p=cte.?
El ciclo del agua
Humedad de saturación: La máxima cantidad de vapor en kg que hay en 1 kg de aire (seco y húmedo). Es la humedad de equilibrio. Es función de la temperatura:
exp 0.622sd
LeR T
⎛ ⎞∝ −⎜ ⎟
⎝ ⎠
Relación de Clausius-Clapeyron
Aire caliente puede albergar mayor cantidad de vapor de agua que aire frío
El ciclo del agua
Promedio anual de la humedad específica superficial (g/kg)
El ciclo del agua
Ecuación de balance del agua en el bucle terrestre:
o uS P E R R= − − −Almacenamiento
Precipitación
Evaporación
Escorrentíasuperficial
Escorrentíasubterránea
Para grandes áreas, el promedio de escorrentía subterránea se suele despreciar :
{ } { } { } { }oP E S R− = +
El ciclo del agua
Ecuación de balance del agua en el bucle atmosférico:
0
( , , )op dpW t q
gλ φ = ∫Agua
precipitablehumedadespecífica
El promedio temporal del balance de agua en la atmósfera es:
divW E Pt
∂+ = −
∂Q
0
( , , )op dpt q
gλ φ = ∫Q uTransporte de agua
precipitable
El ciclo del agua
Los ciclos del agua terrestre y atmosférico se hallan ligados por el término de evaporación menos precipitación:
{ } { } { }div oW S Rt
⎛ ⎞⎧ ⎫∂− + = −⎨ ⎬⎜ ⎟∂⎩ ⎭⎝ ⎠
Q
Flujos Zonales
El promedio anual del flujo zonal de humedad sigue (e influye en) el patrón de circulación general atmosférica.
0
op dpQ qugλ λ= ∫
Flujos Zonales
Flujo zonal de humedad debido a torbellinos.
Flujos Meridionales
El promedio anual del flujo meridional, pequeño comparado con el flujo zonal, es de vital importancia para mantener el balance global del agua.
0
op dpQ qugφ φ= ∫
Flujos Meridionales
Flujo meridional de humedad debido a torbellinos: generalmente hacia los polos. Mismo transporte que el campo promedio.
Flujos Meridionales
La atmósfera no es la única que transporta agua de los trópicos hacia los polos: los océanos también.
Si el océano no transportara agua de zonas de P-E>0 a zonas de P-E<0, a la larga se crearía un déficit de agua en las latitudes medias.
Flujos Meridionales
El ciclo del agua tiene un papel significativo en el transporte de calor hacia los polos. 1 Sv (Sverdrup) son 106 m3 s-1 equivalente a 109 kg s-1
Calor latente de evaporación es L=2.5 106 J kg-1
Un flujo de 0.6 Sv equivale a 0.6 x 2.5 1015 W
que es igual a
1.5 PW de calor latente.
Transporte entre cuencas
Existen grandes diferencias entre la cantidad de agua ganada y perdida (E-P) en cada océano.
El océano Pacífico es más dulce que el océano Atlántico.
Transporte entre cuencas
Las diferencias de E-P entre cuencas requiere que exista un transporte de masa entre diferentes cuencas oceánicas. Análisis de observaciones sugiere que existe un flujo de 0.8 Sv de agua dulce que sale del océano Pacífico norte hacia el océano Atlántico a través del estrecho de Bering .
Transporte entre cuencas
Transporte de agua dulce (109 kg s-1).
Impacto en la dinámica oceánica
Cambios de E-P se traducen en cambios en la concentración / dilución del contenido de sal de las aguas superficiales.
Si la ecuación de estado del agua de mar se lineariza,
[ ]1 ( ) ( ) ,r r rT T S Sρ ρ α β= − − + −
el flujo de densidad debido a un flujo de E-P es
( )SJ S E Pβ= − Flujo halino de densidad
y el flujo de densidad debido a un flujo de calor es
TJ Qα= Flujo térmicode densidad
En general los efectos térmicos son más grandes que los efectos de E-P. Sin embargo, hay tres regiones del giro subtropical donde los efectos salinos son mayores.
Ganancia de densidad
Schmitt et al. (1989)
Seguimiento del ciclo del agua
El satélite Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) de la ESA fue lanzado el 2 de noviembre de 2009. Esta misión,
liderada por España y Francia, es la primera misión diseñada a medir en tiempo real la humedad del suelo y la salinidad en superficie. Los datos que proporcionará serán útiles para estimar la amplitud y variabilidad del ciclo del
agua tanto sobre los océanos como en continentes.
Resumen
Evaporación y precipitación dan cuenta del 80% del los flujos de energía no radiativos entre océano y atmósfera.
Utilizando técnicas de análisis isotópico puede estimarse la edad y origen del agua en reservorios.
La celda más intensa del ciclo del agua tiene lugar sobre los océanos.
Variaciones geográficas de evaporación y precipitación tienen un impacto en diferencias de salinidad que influyen en la circulación termohalina.
El flujo de flotabilidad a través de la superficie océano-atmósfera viene dado por el flujo de calor, excepto en unas pocas zonas donde el flujo de masa (E-P) juega un papel preponderante.
