CAMPOS CIENTÍFICOS EN LOS QUE SE ENMARCA LA ASIGNATURA

Transcripción

1 CAMPOS CIENTÍFICOS EN LOS QUE SE ENMARCA LA ASIGNATURA Limnología. "Limne" (palabra griega) hace referencia a una divinidad asociada a las aguas en general. El término Limnología fue acuñado acuñado por FOREL (1892) con el sentido de una "oceanografía de los lagos". En los estatutos de la SIL (Sociedad Internacional de Limnología), fundada en 1922 se consideró a la Limnología como "el estudio del conjunto de las aguas dulces o epicontinentales". MARGALEF (1983) considera el término como "Ecología de las aguas no marinas" Dentro de la Limnología se estudian aspectos tales como la química de las aguas, la sedimentología o el estudio de la propia biota (Hidrobiología) que aborda fundamentalmente los aspectos taxonómico, faunístico, biológico, etológico, zoogeográfico y ecológico. DELIMITACION ENTRE AGUAS MARINAS Y AGUAS CONTINENTALES Las aguas marinas tienen una notable uniformidad en su composición En las aguas marinas la sal predominante es el Cloruro sódico

2 Las aguas continentales tienen una composición química mucho más heterogénea que guarda relación con la distinta composición de rocas y suelo En las aguas continentales la sal predominante es el Bicarbonato cálcico

3 Existen numerosas aguas continentales que no son dulces, sino saladas, incluso a veces más saladas que las del mar. AGUAS EPICONTINENTALES

4 AGUAS SUBTERRÁNEAS CICLO DEL AGUA CICLO DEL AGUA En los Océanos la evaporación es mayor que la precipitación. En los océanos cada año se evapora un volumen de agua equivalente a una capa de 1 m de espesor (es una media entre las regiones cálidas-hasta 1,5 m y las frías y templadas 35 mm). En conjunto la cantidad de agua evaporada representa Km 3 de los cuales el 90% vuelve a caer sobre los océanos y el 1 % cae sobre los continentes.

5 ORIGEN VOLUMEN (Miles km 3 ) % AGUA TOTAL Agua salada Océanos ,54 Agua subterránea salina ,93 Lagos salinos 85 0,006 Agua dulce Glaciares, manto nival permanente ,74 Agua subterránea ,76 Permafrost 300 0,022 Lagos 91 0,007 Humedad del suelo 16,5 0,001 Vapor atmosférico 12,9 0,001 Marismas, humedales 11,5 0,001 Ríos 2,12 0,0002 Incorporada en la biota 1,12 0,0001 AGUA TOTAL (Miles km 3 ) AGUA DULCE TOTAL (Miles km 3 ) , % 2 76 %

6 El agua no evaporada entra en el perfil del suelo (infiltración). El agua infiltrada y retenida por las partículas del suelo es absorbida por las raíces de las plantas y devuelta en gran parte a la atmósfera mediante el proceso de transpiración. La evapotranspiración disminuye el contenido de humedad del suelo y deja espacio libre para la retención de más agua. En términos generales representa la principal vía de salida del agua de una cuenca y puede alcanzar un 60-80% de las precipitaciones anuales. Las aguas no infiltradas (escorrentía) junto con las que se mueven a través del suelo o en los acuíferos y no son aprovechadas por la vegetación alcanzan los ríos o cauces superficiales por donde discurren en forma de caudales o quedan retenidas en los lagos

7 naturaleza físico-química del agua Aparte del mercurio metálico, el agua es el único mineral líquido del planeta. Un gran número de propiedades del agua se apartan de lo que cabría esperar de su composición molecular. naturaleza físico-química del agua Aunque la fórmula elemental es H 2 O, en la que los átomos de H forman un ángulo de 105º, en realidad el agua está polimerizada [(H 2 O) n ]. Las moléculas se unen unas con otras por medio de enlaces puente de Hidrógeno.

8 En el agua líquida, además de un residuo de H 2 O, las moléculas crean asociaciones dinámicas (polímeros) que forman y deshacen enlaces continuamente. La proporción de polímeros de orden más elevado es mayor a temperaturas más bajas, es decir, cuanto menor es la Tª mayor es el tamaño de los polímeros y viceversa. ANOMALÍAS DE LA DENSIDAD A 0ºC las moléculas se disponen en una red cristalina semejante a la de la tridimita, con espacios repetidos a intervalos regulares que suponen un aumento de volumen del 9% respecto al del agua líquida Hielo Agua líquida Vapor

9 Como consecuencia de lo anterior en estado sólido disminuye su densidad, por lo que flota sobre la fase líquida El punto de máxima densidad del agua es aproximadamente a los 4ºC Las diferencias de densidad por cambio de temperatura (entre masas de agua que presenten una variación de 1ºC, por ejemplo) se hacen progresivamente mayores por encima de los 4ºC. La diferencia de densidad entre muestras de agua a 20 y 21 ºC es 26 veces mayor que la de aguas a 4 y 5ºC.

10 Temperatura ( C) Epilimnion Profundidad (m) TERMOCLINA Metalimnion Hipolimnion 10 Donde hay un gradiente vertical de temperatura debe existir también un gradiente vertical de densidad. Esta estratificación térmica (por densidades) implica una incompleta mezcla vertical de las aguas y si se mantiene el tiempo suficiente, la actividad de los organismos y los procesos fisicoquímicos que tienen lugar en cada nivel de profundidad determinan importantes diferencias entre los compartimentos.

11 CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS El agua tiene un elevado calor específico ( J g -1 ºC -1 ), sólo superado por el amonio gaseoso (5.15) y el H 2 líquido. Por ello, el agua es capaz de acumular mucho calor y lo pierde muy lentamente (Inercia térmica). Como resultado las variaciones de temperatura de lagos y ríos se producen lentamente según las estaciones lo que tiene importantes consecuencias sobre los organismos. Esta elevada capacidad calorífica y el alto calor de fusión y de vaporización tienen un efecto termostático y regulador. Baja capacidad del agua para transmitir calor (mal conductor), salvo que se produzcan turbulencias (viento, corrientes de agua), en cuyo caso la intensidad de las turbulencias determinaría hasta qué profundidad se calienta el agua. Absorción de la luz I z = I 0 e -kz I 0 = Intensidad de la luz en superficie I z = Intensidad de la luz a la profundidad z k d = coeficiente de extinción z = profundidad (m) I 0 e I z pueden medirse con un luxímetro para obtener k k = ln I 0 lni z z Existe un descenso exponencial y k es la tasa de extinción. Cuanto mayor es k más rápidamente se atenúa la luz con la profundidad depth (m) % of surface light % 20 20%

12 El punto en el que se equilibran o igualan la fotosíntesis (producción) con la respiración (se consume todo el O 2 producido) se llama punto de compensación. La intensidad de luz es del 1% de la luz incidente en la superficie, es decir cuando la intensidad lumínica se ha reducido el 99% Zona fótica : Zona situada por encima del punto de compensación en la que tienen lugar los procesos fotosintéticos: la producción supera la respiración. Zona afótica o profunda: situada por debajo del punto de compensación, la respiración es mayor que la producción. El grosor de la zona fótica varía en función distintos factores: sólidos en suspensión, sustancias en disolución, zooplancton etc. Dado que estos factores son variables estacionalmente, en las distintas épocas del año se producen variaciones en el grosor de la capa. En medios oligotróficos, la transparencia del agua es muy alta y por tanto esto facilita la penetración de la luz y hace que el punto de compensación esté mas profundo. Por el contrario, en medios eutrofizados, con grandes cantidades de plancton, existe una gran turbidez lo que dificulta la penetración de la luz y por tanto el punto de compensación se sitúa más cerca de la superficie.

13 ABSORCIÓN DEL COLOR El color del agua depende del fitoplancton presente El color verde del agua se produce porque la clorofila absorbe la longitud de onda violeta y roja, y refleja sólo la verde. Otros pigmentos absorben y reflejan otras longitudes de onda En general, la tasa de fotosíntesis es proporcional a la profundidad (es decir, más luz = más fotosíntesis) hasta que se produce la inhibición por exceso de luz o la saturación por alcanzar el límite fisiológico de los organismos implicados. Las distintas especies presentas diferentes puntos de inhibición o de saturación.

14 Para medir la profundidad de la zona fótica se utilizan distintos procedimientos, entre ellos el disco de Secchi, un disco de unos 20 cm de diámetro (30 en medio marino) que mediante una cuerda se va hundiendo hasta que no es visible. Puede ser de color blanco o con sectores blancos y negros. La profundidad de Secchi (cuando el disco deja de verse) corresponde aproximadamente al 10% de la luz en superficie La fuerza de atracción entre moléculas da lugar a que las moléculas que se encuentran en la superficie de un líquido sean atraídas hacia su interior. Esta película de moléculas superficiales se comporta en forma similar a una membrana elástica. Tensión superficial Es una característica de todos los fluidos, y la del agua es la mayor conocida (si exceptuamos el Mercurio). líquido Acetona Benceno Tetracloruro de carbono Acetato de etilo n-hexano Metanol Tolueno Agua Éter etílico Mercurio Alcohol etílico dinas/cm

15 Como todo sistema mecánico tiende a adoptar espontáneamente el estado de más baja energía potencial, los líquidos tienen tendencia a presentar al exterior la superficie más pequeña posible. Cuando un objeto se pone en contacto con la superficie del agua intervienen dos tipos de fuerzas: Fuerzas de cohesión (c) entre las moléculas de agua NEUSTON Fuerzas de adhesión (a) de las moléculas de agua a la superficie del objeto. Si c>a => superficie hidrófoba Si c<a => superficie hidrófila Viscosidad La viscosidad dinámica o absoluta es la resistencia que opone el fluido al movimiento relativo de sus moléculas. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad. Es un reflejo de las fuerzas de cohesión entre moléculas. Los fluidos de alta viscosidad absoluta presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con más facilidad. Depende fundamentalmente de la Tª y de los materiales en disolución o en suspensión. El agua caliente es menos viscosa que el agua fría Viscosidad a 0 C = x 10-3 kg/m/s Viscosidad a 30 C = x 10-3 kg/m/s

16 Cloroformo 20 C Alcohol metílico 20 C Benceno 20 C Agua 20 C Alcohol etílico 20 C Mercurio 20 C 0.58 cp cp cp cp 1.2 cp cp Miel 20 C Chocolate 20 C Ketchup 20 C cp = Centipoise 1cP = 10-3 Paxs 10,000 cp 25,000 cp 50,000 cp Se mide en Pascales x s, según el Sistema Internacional se define como la fuerza necesaria para desplazar a un kg de agua, un metro en un segundo (kg/m*s = N*s/m2). La resistencia por fricción al movimiento para los organismos acuáticos es 100 veces mayor que para los organismos aéreos. Viscosidad y densidad La viscosidad cinemática es la relación entre la viscosidad absoluta y la densidad de fluido. υ = µ ρ m 2 s La viscosidad cinemática relaciona la viscosidad (fuerzas de cohesión) con la inercia (masa/volumen). En el sistema internacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado por segundo (m 2 /s).

17 El nº de Reynolds expresa la importancia relativa de las fuerzas de inercia y las fuerzas de cohesión (viscosidad): Re= V L/ Donde V es la velocidad en m/s a la que el agua o un objeto se mueven uno con relación a otro. Es decir, es lo mismo que el agua discurra a través de un objeto estacionario, que el objeto se mueva a través del agua. L: es una longitud característica tal como el diámetro de un tubo a través del cual pasa el agua, el grosor de la capa de agua o la longitud del cuerpo de un animal en la dirección del flujo. : es la viscosidad cinemática. Fundamentalmente el número de Re está determinado por V y por L, ya que la viscosidad cinemática del agua presenta ligerísimas variaciones. Es un número adimensional que indica el grado de turbulencia de un fluido. Cuando el número Re es pequeño significa que predominan las fuerzas de viscosidad sobre las de inercia. Todas las moléculas se mueven cohesionadas en la misma dirección y como consecuencia hablamos de flujo laminar. Cuando el número Re es alto predominan las fuerzas de inercia sobre la viscosidad. Significa que las moléculas del fluido se mueven en distintas direcciones: flujo turbulento. En el flujo turbulento, las fuerzas de inercia de las moléculas son mayores que las fuerzas de cohesión entre ellas.

18 Re < 500: flujo laminar 500 < Re < : flujo de transición Re > : flujo turbulento Podemos estimar Re para distintos organismos: Ballena : 109 Trucha: 105 Gammárido: 102 Rotífero nadador: 10-1 Dominios organismos con alto Re viven en ambientes turbulentos 1,000,000 10,000 Peces 100 R e 1 Zooplancton Fitoplancton µm 0.1 mm1 cm10 cm100 cm Arquimediano Stokesiano Browniano organismos con bajo Re viven en ambientes laminares, aunque puedan ser transportados en una porción de agua turbulenta. A su alrededor se forma una capa laminar.

19 Si un organismo extrae una molécula de la capa límite debe ser reemplazada del agua circundante por difusión, proceso que es muy lento. El gradiente de concentración en la capa límite es el que determina entonces la rapidez con que el déficit de nutrientes puede ser subsanado. La ventaja del movimiento del animal (siempre y cuando haya un gradiente de concentración) es que puede alcanzar una posición en la que existe una mayor concentración exterior de nutrientes lo que acelera la incorporación de estos a la capa límite. Así pues, para organismos muy pequeños el hundimiento o la locomoción activa es muy importante. En un fluido ideal no existe fricción entre las moléculas, pero en un fluido real, cuando empieza a fluir bajo la influencia de la gravedad, las moléculas de las capas estacionarias del fluido deben cruzar una frontera para entrar en la región de flujo. Una vez cruzada esta, las moléculas reciben energía de las que están en movimiento y comienzan a fluir. Debido a la energía transferida, las moléculas que ya estaban en movimiento reducen su velocidad. V V 0 V V 0 Perfil plano Flujo ideal Perfil parabólico Flujo real

20 En los ríos la velocidad de la corriente no es igual en toda la columna de agua: es máxima en superficie y el centro del cauce y disminuye hacia las orillas y hacia el fondo. La velocidad del agua en el fondo se ralentiza por rozamiento hasta hacerse casi nula, y se forma la llamada capa límite sobre los objetos del fondo. El límite superior de la capa límite se sitúa cuando la velocidad es aproximadamente un 1% de la velocidad en superficie. El grosor de la capa límite depende de la velocidad en superficie (U) y de la profundidad (x), ya que µ/δ es la viscosidad cinemática del agua, y permanece constante. El grosor relativo depende del número de Reynolds de los objetos del fondo. Si no cambian otras variables, el tipo de sustrato (tamaño y forma) condiciona la colonización. El aplastamiento del cuerpo es un ejemplo de adaptación a la corriente, los animales se desplazan dentro de la capa límite.