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Oceanografía
Elaborado por: Prof. Luis Miguel González
Propiedades Físicas del Agua de Mar
Propiedades Moleculares del Agua
Oceanografía Física
Heat capacity, or thermal capacity, is the measurable physical quantity that specifies the amount of heat required to change the temperature of an object or body
by a given amount. The SI unit of heat capacity is joule perkelvin, J/K.
Muchas de las características del océano pueden ser atribuidas a
la naturaleza misma del agua. Esta consiste de dos iones de
hidrogeno cargados positivamente y un único ion de oxigeno
cargado negativamente, de tal forma que el agua se comporta
como una molécula polar que tiene lado positivo y lado negativo.
Esta polaridad molecular conduce a la alta constante dieléctrica
(la habilidad para resistir o balacear un campo eléctrico). El agua
es capaz de disolver muchas sustancias debido a que las
moléculas polares del agua se alinean para proteger cada ion,
resistiendo la recombinación de los iones. El carácter salado de
los océanos es debido a la abundancia de iones disueltos.
La naturaleza polar de las moléculas de agua hace que formen
cadenas de hasta ocho moléculas. Aproximadamente el 90% de
las moléculas de agua se encuentran en estas cadenas. Se
necesita energía para producir estas cadenas, lo cual está
relacionado con la capacidad calorífica del agua. El agua tiene la
capacidad calorífica más alta de todos los líquidos con la
excepción de amoniaco. Esta alta capacidad calorífica es la
principal razón de que el océano sea tan importante en el sistema
climático global. A diferencia de la tierra y la atmosfera, los
océanos almacenan grandes cantidades de energía en forma de
calor que recibe del sol. Este calor es transportado por las
corrientes oceánicas, exportando o importando calor a varias
regiones.
Elaborado por: Prof.
A medida que la temperatura del agua de
mar se incrementa, la actividad molecular se
hace mayor y ocurre la expansión termal,
reduciendo la densidad. En el agua dulce, a
medida que la temperatura aumenta desde el
punto de congelación hasta los 4°C, la
energía calorífica añadida forma cadenas
moleculares cuyo alineamiento hace que el
agua se encoja, aumentando su densidad. A
medida que la temperatura aumenta por
encima de este punto, las cadenas se
rompen y la expansión térmica asume el
control; esto explica por qué el agua dulce
tiene densidad máxima a 4°C en lugar que
en su punto de congelación. En el agua de
mar, estos efectos moleculares se combinan
con la influencia de la sal, que inhibe la
formación de las cadenas. En el rango
normal de salinidad en el océano, la
densidad máxima ocurre en el punto de
congelación, el cual está por debajo de 0°C.
Valores de densidad (líneas curvas) y los puntos de máxima densidad y de congelación
Para agua de mar en función de salinidad y temperatura
Presión
Oceanografía Física
Elaborado por: Prof.
La presión es la fuerza normal o perpendicular por unidad de
área. En el caso del océano esta presión es ejercida por el
agua (o por el aire en la atmosfera) en ambos lados de una
unidad de área. Las unidades de fuerza son (masa x
longitud/tiempo2 ).
Las unidades de presión son (fuerza/longitud2).
Las unidades de presión en metros-kilogramos-segundos son
Newtons/m2.
Un Newton es la fuerza requerida para acelerar 1 kilogramo de
masa a una tasa de 1 metro por segundo cuadrado.
1 N = kgm
s2
La unidad especial para la presión es el Pascal donde 1 Pa = 1
N/m2
La presión atmosférica se mide usualmente en barias en
donde 1 bar = 105 Pa.
La presión en el océano se reporta usualmente en decibares
donde 1 dbar = 0.1 bar = 104 Pa.
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La presión a una profundidad dada depende de
la masa de agua que se encuentra por encima
de esa profundidad. Cuando la profundidad
cambia un poco menos de un metro ocurre un
cambio en la presión de 1 dbar.
La presión en el océano varía entre cerca de
cero (superficie) hasta 10,000 dbar (lo más
profundo). La presión se mide a menudo en
conjunto con otras propiedades del agua de mar
tales como la temperatura, salinidad, y
velocidades de la corriente. Estas propiedades
frecuentemente se presentan como una función
de la presión en lugar de la profundidad.
La relación entre profundidad y presión , usando una estación en el Pacífico Noroeste
Tabla 1. Comparación de la Presión (dbar) y la Profundidad (m) en Profundidades Oceanográficas
Estándar Usando los Algoritmos de UNESCO (1983)
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Presión (dbar) Profundidad (m) Diferencia (%)
0 0 0
100 99 1
200 198 1
300 297 1
500 495 1
1000 990 1
1500 1453 1.1
2000 1975 1.3
3000 2956 1.5
4000 3932 1.7
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Los flujos horizontales en el océano son
impulsados por los gradientes horizontales de
presión. Las variaciones horizontales en la
distribución de la masa de agua crea la
variación horizontal en la presión en le océano.
La presión es mayor donde la columna de agua,
por encima de una profundidad dada, es mas
pesada ya sea porque es mas densa o porque
es mas gruesa o las dos. Las diferencias de
presión son del orden de un decibar sobre
cientos o miles de kilometros. Diagrama esquemático que muestra la variación en la elevación del nivel del mar en el
océano.
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La presión se mide usualmente con un
instrumento electrónico conocido como un
transductor. La exactitud y la precisión de las
medidas de presión son lo suficientemente altas
como para que otras propiedades, tales como la
temperatura, la salinidad, las velocidad de la
corriente , se puede visualizar como una función
de la presión.
Imágenes de un transductor de presión
La Temperatura
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La temperatura es una propiedad de un fluido, debida a la actividad o
energía de las moléculas y átomos en un fluido. La temperatura es
mayor cuando existe una mayor energía o contenido calórico.
En oceanografía la temperatura (T) se expresa usualmente utilizando
la escala Celsius ( oC), excepto cuando se efectúan cálculos de
contenido calórico, en este caso la temperatura se expresa en grados
Kelvin (K). Cuando el contenido calórico es cero (no hay actividad
molecular) la temperatura es el cero absoluto en la escala Kelvin.
Un cambio de 1 oC es lo mismo que un cambio de 1 K. El rango de
temperaturas en el océano va desde el punto de congelación, el cual
se ubica alrededor de -1.7 0C (dependiendo de la salinidad), hasta un
máximo de 30 oC en los océanos tropicales.
Los termistores que se utilizan actualmente para medir la temperatura
en aplicaciones oceanográficas pueden llegar hasta una exactitud de
0.002 oC.
Algunos satélites detectan la radiación electromagnética térmica en el
infrarrojo que se origina en la superficie del mar. Esta radiación está
relacionada con la temperatura. La exactitud de la temperatura
superficial del mar obtenida con satélites (SST) es de 0.5 – 0.8 K.
Imágenes de equipo para medir la temperatura
Temperatura Potencial
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El agua de mar es casi incompresible. Un incremento en la presión hace que una parcela de agua
se comprima ligeramente. Esto hace que la temperatura de la parcela de agua se incremente si
ocurre sin intercambio de calor con el agua que la rodea. A la inversa, si una parcela de agua es
movida desde una presión alta hasta una presión menor, se expande y su temperatura decrece.
Estos cambios en la temperatura no están relacionados con fuentes de calor ubicadas en el
fondo o en la superficie. En ocasiones es deseable el comparar las temperaturas de dos parcelas
de agua que se encuentran a presiones diferentes. La temperatura potencial se define como la
temperatura que una parcela de agua tendría si se moviera hasta otra presión sin intercambiar
calor con su entorno (adiabáticamente). Es necesario considerar este efecto cuando las parcelas
de agua cambian de profundidad.
Salinidad y Conductividad
Elaborado por: Prof.
El agua de mar es una solución compleja que contiene
la mayoría de los elementos conocidos. Algunos de los
elementos más abundantes, como porcentaje de la
masa total de material disuelto, son iones de cloro
(55.0%), iones de sulfato (7.7%), iones de sodio
(30.7%), iones de magnesio (3.6%), iones de calcio
(1.2%) y iones de potasio (1.1%). Aunque la
concentración total de materia disuelta varia de lugar
en lugar, las proporciones de los componentes más
abundantes permanecen casi constantes.
Salinidad y Conductividad
Elaborado por: Prof.
La fuente principal de sales para el océano es la
escorrentía de los ríos. El intemperismo (meteorización) es
el proceso de transformación química de las rocas en
suelo. Este proceso ocurre muy lentamente sobre millones
de años, de manera que los elementos disueltos llegan a
estar distribuidos equitativamente en el océano como
resultado de los procesos de mezcla. (El tiempo total que
toma el agua en circular por los océanos es, cuando
mucho, miles de años, lo cual es mucho más corto que el
tiempo geológico del intemperismo). Sin embargo, existen
diferencias significativas en la concentración total de las
sales disueltas de lugar en lugar. Estas diferencias resultan
de la evaporación y de la dilución con agua dulce
proveniente de ríos o de la lluvia.
Salinidad y Conductividad
Elaborado por: Prof.
La salinidad fue definida originalmente como la masa en
gramos de material solido en un kilogramo de agua de mar
después de que se evapora el agua; esto se conoce como la
salinidad absoluta. Es decir, es una cantidad sin dimensiones.
Por ejemplo, la salinidad promedio del agua de mar es de
unos 35 gramos de sales por kilogramo de agua de mar
(g/kg), lo cual se escribe como “S = 35‰ “ o como “S = 35
ppt” y se lee como treinta y cinco partes por mil. Debido a que
las mediciones de la evaporación son incomodas, esta
definición fue sustituida.
Def. 1 Salinidad es la cantidad de material disuelto en gramos
en un kilogramo de agua de mar.
La variabilidad en la cantidad de sal disuelta para la mayoría
de los océanos del mundo es muy pequeña (entre 34.60 y
34.80 partes por mil, equivalente a 200 partes por millón).
Para clasificar agua con diferente salinidad necesitamos
definiciones e instrumentos con precisiones de 1 parte por
millón.
Problema: En la práctica es imposible medir el material
disuelto (eg. material volátil compuesto por gases).
Salinidad y Conductividad
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Def. 2 Salinidad La salinidad es la cantidad total de materiales
sólidos en gramos disueltos en 1 kilogramo de agua de mar
cuando todos los carbonatos han sido convertidos a óxidos,
los bromos e iodos reemplazados por cloros y toda la materia
orgánica completamente oxidada. (International Council for
the Exploration of the Sea, 1902).
Problema: difícil de implementar en la práctica.
Salinidad y Conductividad
Elaborado por: Prof.
Def. 3 Debido a que la salinidad es directamente proporcional
a la cantidad de cloro en el agua de mar, y porque el cloro se
puede medir con precisión mediante un análisis químico
simple, la salinidad S se redefinió utilizando clorinidad:
Salinidad y Conductividad
Elaborado por: Prof.
Def. 4 Estas definiciones de salinidad basadas en análisis
químicos fueron reemplazadas por una definición basada en
la conductividad eléctrica del agua de mar, la cual depende
de la salinidad y la temperatura. Esta cantidad basada en la
conductividad se conoce como salinidad práctica (practical
salinity), usando algunas veces el símbolo ups (psu en
ingles) para indicar unidades prácticas de salinidad
(practical salinity units), aunque internacionalmente se
prefiere no usar unidades para la salinidad. La salinidad se
escribe ahora, por ejemplo, S = 35.00 o S = 35.00 psu. El
algoritmo que se usa ampliamente para calcular la salinidad
a partir de conductividad y temperatura se llama la escala
practica de salinidad de 1978 (PSS 78).
Salinidad y Conductividad
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Actualmente se recomienda que las observaciones de salinidad se
hagan por medio de conductividad y PSS 78, y que se reporten como
unidades prácticas de salinidad. Y que para los cálculos que involucran
salinidad, se realicen dos correcciones para calcular la salinidad absoluta
SA a partir de la salinidad practica SP :
El factor que multiplica a SP proporciona la “salinidad de referencia SR”,
la cual es actualmente el estimado más exacto de la salinidad absoluta
de referencia de el agua superficial del Atlántico. Se añade una
anomalía, ΔSA, que depende de la posición geográfica para corregir por
las sustancias disueltas que no afectan la conductividad.
Salinidad y Conductividad
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La salinidad también puede ser estimada con relativa facilidad, aunque
con poca precisión, utilizando un refractómetro. Resolución ≈ 1 parte por
mil.
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La Densidad
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La densidad del agua de los océanos es importante ésta porque determina la profundidad en la cual una parcela de
agua estará en equilibrio – la menos densa arriba y la más densa en el fondo. La distribución de la densidad también
está relacionada con la circulación a gran escala en los océanos.
La densidad se denota usualmente con la letra griega φ, representa la cantidad de masa por unidad de volumen y se
expresa en kilogramos por metro cubico.
La densidad es determinada básicamente por la temperatura y la salinidad
El agua fría tiene una densidad mayor que el agua caliente, y por lo tanto se hunde.
El agua salada tiene una mayor densidad que el agua dulce y por lo tanto se hunde Nosotros queremos conocer la
salinidad y la temperatura porque ello identifica las masas de agua, y porque junto con la presión, se puede determinar
la densidad del agua. De esta manera se puede establecer la profundidad a la cual el agua se mantiene en equilibrio
estable, y su distribución espacial, nos puede indicar la circulación de los océanos.
La densidad se representa con la letra griega (ro): ρ ----> Kg/m3 o g/cm3
y en el océano:
ρagua de mar = 1021.00 Kg/m3 en superficie
ρagua de mar = 1070.00 Kg/m3 a 10 000 m de profundidad
La Densidad
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Para mayor comodidad se acostumbra utilizar:
σS,T,P = (ρ-1000) Kg/m3 (σ = sigma, como función de S,T y P)
donde por ejemplo:
σS,T,P = 21.00 Kg/m3 en superficie
σS,T,P = 70.00 Kg/m3 a 10 000 m
donde, de nuevo, "S" es salinidad, "T" temperatura y "P" presión del agua. A esta variable (σS,T,P) se le llama densidad
"in situ" (en el lugar).
Para profundidades menores de 1000 m la variación en densidad es pequeña por lo que:
σS,T,P = σS,T,0
y se abrevia como:
σt ----> "sigma-t"
Así que la definición de σt sería: “la densidad que tiene una parcela de agua con salinidad S y temperatura T si su
presión es reducida a la presión atmosférica”.
La Densidad
Elaborado por: Prof.
La temperatura y salinidad del agua son factores determinantes de sus
propiedades físicas y en su distribución, sobre todo en lo que a la escala
vertical se refiere. Esto se debe al efecto que estas propiedades tienen
sobre la densidad, que aumenta al incrementarse la salinidad y
disminuye cuando el incremento se da en la temperatura.
Si suponemos una masa de agua estática (en equilibrio hidrostático) y
en la que no existen fenómenos de difusión molecular, las porciones de
agua más "pesadas" se hunden y de este modo se obtiene una columna
de agua estratificada en la que se pueden distinguir capas con diferentes
densidades decrecientes a medida que nos acercamos a la superficie.
Esto es lo que trata de mostrar la figura de la derecha, en la que las
aguas más densas tienen un color más oscuro.
Esta estructura tan perfectamente estratificada podría romperse
fácilmente si agitásemos el agua y entonces las distintas porciones, cada
una con su densidad tendería a reubicarse de nuevo en el nivel que le
corresponde, oscilando en torno a él con amplitud decreciente hasta
alcanzar de nuevo el estado de equilibrio, en un proceso de reajuste
hidrostático. A modo de símil, es como si tuviésemos un corcho flotando
y lo empujásemos hacia el fondo. El corcho tiende a colocarse de nuevo
de modo tal que tenga por debajo a todo aquello que sea tenga mayor
densidad y por encima lo que tenga una densidad menor. Por eso vuelve
a la superficie y allí estará sobre el agua, de mayor densidad, y bajo el
aire, de densidad menor. Este fenómeno es crucial en los procesos de
mezcla en el océano.
Muchas Gracias...