Densidad del agua de mar

Transcripción

1 Densidad del agua de mar ρ = ρ (p, T, S) Compresibilidad κ Δp = -ΔV/V κ = κ (p, T, S) Expansión térmica α ΔΤ = ΔV/V α = α (p, T, S) Contracción halina β ΔS = -ΔV/V β = β (p, T, S) Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 1

2 Presión hidrostática ρ h z p z = ρ g h ρ = ρ dz ρ = ρ (p) [p] = [kg/m 3 ] [m/s 2 ] [m] = kg/m s 2 = Pascal si ρ = 1025 kg/m 3 y h = 100 m p = x 10 4 Pa 10 4 Pa = 1 decibar Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 2

3 Temperatura potencial Atlántico Sur (30W) Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 3

4 H H O La molécula de agua y sales en solución agua agua de mar Cl - Na + - NaCl Punto de fusión 1074 K (801 C) Punto de ebullición 1738 K (1465 C) Densidad 2, kg/m 3 Solubilidad 35,9 g en 100g de agua Excelente aislante eléctrico - Buen conductor eléctrico Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 4

5 Salinidad La salinidad se define como la masa de sales disueltas (en gramos) por kg de agua de mar. La salinidad es adimensional, aunque habitualmente nos referimos a Unidades Prácticas de Salinidad (ups) Masa de sales disueltas (gr) Masa de agua de mar (Kg) Principales Constituyentes (35 ppm) por m 3 (aprox Kg) de agua de mar NaCl Kg MgCl MgSO CaSO K 2 SO CaCO Kbr SrSO H 2 BO Total Principal composición del agua de mar 35ppm Cationes g/kg meq/kg Sodio Potasio Magnesio Calcio Sr Total Aniones Cloro Bromo Fluor Sulfato Bicarbonato Total Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 5

6 Constancia de las proporciones Las sales disueltas se encuentran en concentraciones relativas casi constantes en todo el océano Sales disueltas en las aguas de mar (átomos): 55.3 % Cloro 30.8 % Sodio 3.7 % Magnesio 2.6 % Sulfuro 1.2 % Calcio 1.1 % Potasio Salinidad = x Clorinidad Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 6

7 Conductividad eléctrica Conductividad (mmhos/cm) C 10 C -2 C Salinidad La resistencia eléctrica de un conductor de longitud l y sección q: R = r l/q [ohm] donde r es la resistencia específica. La inversa de r es la conductividad que se mide en (ohms/cm)-1. En oceanografía suele medirse la conductividad en mmho / cm = ms / cm. Conocida la temperatura de una muestra de agua de mar, la relación entre la conductividad y salinidad permite la determinación de esta última mediante mediciones eléctricas, rápidas y de muy alta precisión. Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 7

8 Calor específico Q = ρ C p T Q = ρ C p T Temperatura de congelamiento y de máxima densidad Calor específico (J/KgºC) (Joules/Kg) C 20 C Salinidad Variaciones del Calor Específico del agua de mar a presión constante, en función de la temperatura ( C) y la salinidad. Temperatura ( C) Tρmax Tc Salinidad Temperatura de máxima densidad Trmáx y temperatura del punto de congelamiento Tc, en función de la salinidad. La escala de temperatura en grados centígrados ( C). A salinidad = ambas temperaturas coinciden. Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 8

9 Densidad del agua de mar ρ = ρ (p, T, S) [Kg/m 3 ] sigma -T = (ρ 0,T,S ) [Kg/m 3 ] ρ = 1027 kg/m 3 sigma -T = 27 kg/m 3 30 T = 0 C 30 Sigma - T T =20 C Sigma - T S = S = Salinidad Temperatura ( C) Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 9

10 Densidad del agua de mar Salinity Temperature (ºC) κ Surface α β ~ 4000 m Surface ~ 4000 m Changes of compressibility (κ, 10-4 kg/m 3 /dbar), thermal expansion (α, 10-4 kg/m 3 /ºC) and haline contraction (β, 10-4 kg/m 3 /psu) as a function of T and S at the sea surface and at 4000 m. Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 10

11 Densidad del agua de mar La no linealidad de la ecuación de estado del agua de mar produce varios fenómenos de importancia: 1) Los efectos de cambios de salinidad sobre la densidad a bajas temperaturas son relativamente más importantes que a temperaturas altas 2) A baja temperatura el agua de mar es más compresible que al alta temperatura (thermobaricity) 3) La mezcla de dos masas de agua de diferente temperatura y salinidad pero de la misma densidad es más densa que las aguas originales (cabbeling) Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 11

12 Espacio temperatura salinidad 1 Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 12

13 Espacio temperatura salinidad 2 Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 13

14 Temperatura vs. salinidad A B No linealidad: Cabelling La densidad σ en la superficie (0 dbar si despreciamos la p-atmosférica) graficada en espacio T-S. Noten el cambio de pendiente de las isopicnas. Los puntos A y B representan dos tipos de agua de igual densidad (ρ = 1026 kg/m 3, σ = 26 kg/m 3 ). El segmento es la mezcla resultante. Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 14

15 Efectos de la no lienalidad: Evaporación El caso del Mediterráneo El agua cálida y salina que fluye del Mediterráneo hacia el Atlántico Norte (flecha roja) tiene una densidad similar a las aguas frías y poco salinas que fluyen desde los mares del Norte (flecha azul). Océano Atlántico Mediterráneo Distribución de T a 1000 m de profundidad en el Atlántico Norte Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 15

16 Efectos de la no lienalidad: El caso del Mediterráneo Porqué las aguas del Mediterráneo se hunden a sólo 1000 m de profundidad? % de saturación de O 2 y salinidad a través del Atlántico a 35ºN Depth (m) Depth (m) APAN % saturaciónde O 2 APAN Salinidad Med Med Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 16

17 Temperatura (ºC) Temperatura (ºC) B Salinidad B (NS) A (Med) A Temperatura vs. Salinidad No linealidad La densidad (σ) en la superficie (0 dbar) (a) y a 4000 dbar (b) en espacio T-S. Noten el cambio en las pendientes de σ, El agua más fría y menos salina es más compresibles El par rojo (2) en ambos paneles compara las aguas cálidas y salinas (A) con las aguas frías y poco salinas (B). Si estas aguas se desplazan desde la superficie (a) hasta 4000 dbares (b) las aguas cálidas que eran más densas pasan a ser menos densas. Adaptado de Talley et al., 2011, Descriptive Physical Oceanography, 6th Edition, Academic Press / Elsevier Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 17 Temperatura (ºC) κ Salinidad B 5 10 A

18 Nueva Ecuación Termodinámica del agua de Mar En 2010 varios organismos internacionales (COI, SCOR, IAPSO) adoptaron conjuntamente un nuevo estándar para el cálculo del las propiedades termodinámicas del agua de mar. Este nuevo estándar, conocido como TEOS-10 (por sus siglas en inglés), reemplaza la viejo estándar o Ecuación de Estado (EOS80) y debe ser la forma de calcular las propiedades termodinámicas del agua de mar. El TEOS-10 ha construido la función de Gibbs del agua de mar, a partir de la cual es posible calcular la densidad, velocidad del sonido, calor específico, entalpía específica, y entropía específica. S P (Salinidad Práctica) S R (Salinidad de Referencia) Lo que medimos con un salinómetro y se usaba hasta ahora para el cálculo de las variables derivadas, como la densidad Fracción de masa de soluto en Agua Estándar S A (Salinidad Absoluta) Fracción de masa de soluto en la muestra, lo que interesa para el cálculo de la densidad Los oceanógrafos no entren en pánico visiten Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 18

19 Temperatura superficial Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 19

20 Salinidad superficial Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 20

21 Densidad superficial Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 21

22 Espacio temperatura salinidad 3 Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 22

23 Espacio temperatura salinidad 4 Profundidad (m) S Temperatura Potencial ( C) líneas de σ constante S Salinidad (ups) Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 23

24 Origen de las sales disueltas Composición de agua de río y de agua de mar concentraciones en meq/l Ríos Mar Sales Ríos- 35ppm cíclicas s.c. Iones Positivos (cationes) Sodio Na Potasio K Magnesio Mg Calcio Ca Total Cationes Iones negativos (aniones) Cloro Cl Bicarbonato HCO Sulfato SO Total Aniones Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 24

25 Tiempos de residencia los principales constituyentes del agua de mar Constituyente Tasa agua mar/ Tiempo de residencia agua río - s.c años Agua Sales totales HCO Ca K SO Na Cl - infinito infinito Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 25

26 La concentración de gases nobles El factor de pérdida es la tasa entre la concentración relativa de un gas noble en el sol sobre la concentración relativa en meteoritos supuestamente similares a material del manto. Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 26

27 Balance geoquímico Los elementos volátiles en exceso Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 27

28 Edad del océano profundo Determinación empleando 14 C Tiempo en años transcurridos desde que una parcela de agua situada actualmente a 3000 m de profundidad estuvo en contacto con la atmósfera. Circulación General II 4. Propiedades físico-químicas 28