Tema 2 El agua y la Atmósfera

Transcripción

1 Tema 2 El agua y la Atmósfera 2.1. El agua en el Planeta Tierra. El elemento conocido comúnmente como agua, cuya molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos formando un ángulo de 105º aproximadamente (su fórmula química es H2O), que se unen entre si mediante puentes de hidrógeno, a tenor de su polaridad, fue considerado desde la antigüedad y hasta bien entrado el siglo XVIII, como uno de los elementos básicos que representaban a todas las sustancias líquidas. Si bien esta visión clásica cambio cuando la investigación científica dispuso de técnicas de observación más sofisticadas y de nuevas teorías sobre la física y la química de las sustancias, el agua es sin duda un elemento vital para la vida sobre el planeta tierra, participando de forma decisiva en procesos biológicos, geológicos, meteorológicos, químicos y físicos: 1

2 Es la sustancia más abundante en la Tierra. Constituye el componente principal de la estructura celular de los seres vivos (del 50 al 90% de la masa de los organismos vivos está constituida por agua). Se considera como el disolvente universal puesto que la mayoría de la sustancias se disuelven en agua. Es uno de los agentes ionizantes más conocidos. El 80% del efecto invernadero atmosférico es causado por el vapor de agua. Contribuye decisivamente al balance energético del planeta. Mediante el transporte de sustancias disueltas y el arrastre de materiales, el agua participa en los procesos geológicos.. El agua, elemento que se encuentra en el planeta Tierra y en su atmósfera en sus tres estados, gaseoso, líquido y sólido, se distribuye tanto por la superficie del planeta (aguas superficiales) como en el interior (aguas subterráneas) y en la atmósfera (agua atmosférica). Este conjunto de masas de agua se denomina hidrosfera, la cual se extiende desde la superficie hasta unos km de altura en la atmósfera (la troposfera o hidrosfera gaseosa) hasta aproximadamente 1 km por debajo de la litosfera o corteza terrestre. La hidrosfera contiene alrededor de 1386 millones de kilómetros cúbicos que se distribuyen de la siguiente forma: 2

3 En la siguiente tabla se muestran con más detalle estos porcentajes: Fuente de agua Estimación de la distribución del agua global: Volumen de agua, en metros cúbicos Porcentaje de agua dulce Porcentaje total de agua Océanos, Mares y Bahías 1,338,000, Capas de hielo, Glaciares y Nieves Perpetuas 24,064, Agua subterránea 23,400, Dulce 10,530, Salada 12,870, Humedad del suelo 16, Hielo en el suelo y gelisuelo (permafrost) 300, Lagos 176, Dulce 91, Salada 85, Atmósfera 12, Agua de pantano 11, Ríos 2, Agua biológica 1, Total 1,386,000, Fuente: Gleick, P. H., 1996: Water resources. In Encyclopedia of Climate and Weather, ed. by S. H. Schneider, Oxford University Press, New York, vol. 2, pp De los datos de esta tabla podemos ver que casi la totalidad del agua se encuentra en los mares y océanos en forma de agua salada y sólo un 3% corresponde a agua dulce. De este 3%, un 2.65% está en forma de hielo y en aguas subterráneas, la mayoría no accesible para consumo humano. El agua situada sobre los continentes y la que está en la atmósfera son las cantidades proporcionalmente menores, aunque su importancia biológica es grande. Otro dato significativo sobre la distribución de estos reservorios de agua en el planeta Tierra es el hecho de que la distribución de agua en los continentes no es homogénea, como muestra la siguiente figura, lo que crea desigualdades importantes en el acceso a los recursos de este bien esencial para la vida. 3

4 2.2.- El ciclo hidrológico. El concepto que subyace en lo que ha dado en denominarse ciclo hidrológico o ciclo del agua es simple: el agua cambia de estado y es transportada en un sistema cerrado: la Tierra y su atmósfera. El ciclo es cerrado sólo en toda la Tierra (ciclo hidrológico global), donde cada gota de agua sigue un camino desde el océano hasta la atmósfera y la tierra (a lo largo de la superficie o flujo subterráneo). Generalmente el hidrólogo se encuentra ante un problema con condiciones locales y se enfrenta por lo tanto a un sistema abierto (ciclo hidrológico local), lo que obligará a estudiar las entradas y salidas al sistema con respecto a los sistemas vecinos Los procesos involucrados en el ciclo son a grandes rasgos la evaporación, condensación, precipitación, infiltración y escorrentía (o escurrimiento).. La energía para mantener funcionando este sistema proviene del Sol, de la cual la Tierra absorbe un 70% y se refleja un 30 %, distribuyéndose los porcentajes en diferentes procesos que se esquematizan en la siguiente tabla: Balance Total de Energía Solar (kilocal/año) 30 % reflejada 1.3 x % calienta la atmósfera y la superficie 3.9 x % es usada en la evaporación de agua 6.1 x ,2% genera vientos, ondas y corrientes. 3.0 x ,0023 % se usa en la fotosíntesis 2.6 x TOTAL 1.3 x Una fracción importante de la energía solar interceptada pro la Tierra es parcialmente redistribuida dentro del sistema climático por las transiciones de fase que sufre el agua dentro de la rama atmosférica del ciclo del agua. Además, el papel del vapor de agua y de las nubes en los procesos de reflexión, absorción y emisión de las radiaciones solar y terrestre lo convierte en un factor clave de la dinámica del clima Breve reseña histórica. En la historia de la humanidad, el hombre ha sido testigo, muchas veces sin entenderlo, del desarrollo del ciclo del agua en la naturaleza. Sin embargo la comprensión de este proceso natural, 4

5 que hoy nos parece tan intuitiva, durante siglos no fue comprendida por filósofos y científicos, que intentando explicar el origen de las aguas subterráneas o como las corrientes que desaguan en el mar no elevaban el nivel de éste, creían que el ciclo se realizaba al revés: el agua penetraba en la corteza desde el fondo de los océanos, se almacenaba en la profundidad, probablemente en grandes cavernas, y ascendía después por fuerzas del vacío (algo así como acción capilar) o presión de roca hasta las partes altas de las montañas, surgiendo en las zonas de nacimiento de los ríos. Por un explicable error colectivo, que duró decenas de siglos, los pensadores de la antigüedad aceptaban como axiomático que las precipitaciones atmosféricas no eran suficientes para mantener los grandes caudales subterráneos que emergían espontáneamente o eran alumbrados por la mano del hombre en algunos puntos de la superficie terrestre. Y, lógicamente, se lanzaban a inventar las teorías más ingeniosas, variadas y pintorescas para explicar su origen. Es sorprendente la falta de experimentación que acompaña a las teorías antiguas, algunas de ellas realmente inteligentes e imaginativas, pero que hubieran sido fácilmente abandonadas mediante alguna simple medición o experimentación directa. Muchos de los antiguos filósofos desde Tales, Platón, Aristóteles,... hasta Kepler ( ) y Descartes ( Principios de la Filosofía, 1644) no se limitaban con esbozar la idea del Ciclo al revés, sino que dedicaban largos textos a pormenorizar las diversas etapas del proceso. Platón ( a. de J.C.) habla de una gran caverna donde vuelve el agua del océano a través de los conductos subterráneos, aunque no nos aclara mediante qué mecanismo. Aristóteles ( a. de J.C.), aunque discípulo de Platón, modificó algo su teoría en el sentido de que en los pasajes subterráneos donde se infiltraba el agua del mar en la tierra se desprendía vapor de agua que contribuía a la mayor parte del agua de los manantiales. Tales de Mileto ( a. de J.C.) nos dice que el agua del mar era empujada por el viento, filtrada por la tierra, donde de nuevo emergía como agua dulce. Lucrecio (94?-55 a. de J.C.) habla del agua del mar infiltrándose en la tierra, donde deja su amargor o salinidad, saliendo al exterior en forma de manantiales. Lo más complicado era explicar la pérdida de la sal marina, pero para ello invocaban procesos similares a la destilación. Así estas antiguas teorías proponían que el agua de mar se evapora en grandes cavernas subterráneas, se condensa en su parte superior como agua dulce que sale a la superficie en forma de manantiales. Parece que incluso Descartes ( ) y Nicolás Papín propugnaron esta idea. Es ingeniosa esta inversión del ciclo natural del agua, ya que explica a 5

6 la vez la pérdida de salinidad del agua marina y el hecho de que las fuentes de agua dulce se encuentren a nivel superior al del mar. La Hidrología moderna nace con las experiencias de Perrault, Mariotte y Halley. Fueron los primeros hidrólogos empíricos que basaron sus ideas en medidas y no en la especulación. En 1674 Pierre Perrault ( ) publica De l origine des fontaines, donde hace referencia a los experimentos realizados en la cuenca del Sena en los que lidio la precipitación durante los años 1668 a 1670 y observó que la escorrentía de la cuenca era solamente un sexto de la precipitación total, deduciendo, por tanto, que casi la totalidad del resto alimentaba los depósitos y fuentes subterráneas. Edmé Mariotte ( ), contemporáneo de Perrault, repitió estos experimentos en un punto distinto de la cuenca del Sena, estudiando además la infiltración profunda del agua, y comprobando que el caudal de ciertos manantiales variaba de acuerdo con la oscilación de las precipitaciones. Todas estas teorías hacían referencia a procesos que se incluyen dentro de lo que hoy conocemos como la parte terrestre del ciclo hidrológico, faltando con cuantificar la parte aérea del ciclo. Sin embargo tampoco faltaron las teorías que atribuían al agua atmosférica la fuente principal de las aguas subterráneas. Así, por ejemplo, se propugna que el vapor de agua que contiene el aire se condensa en las rocas y da origen de nuevo a los manantiales. No cabe duda de que esta teoría es parcialmente correcta, aunque, en general, las cantidades de agua así condensadas son una minúscula parte de la aportación que reciben manantiales y pozos. Como es bien sabido, en algunas zonas de la tierra, y un ejemplo de ello son algunas de las islas Canarias, prosperan cultivos de regadío con esta fuente de humedad en zonas de precipitación muy escasa o incluso nula. El picón de muchas de las islas Canarias (España), cuyo suelo es de origen volcánico, parece constituir un medio ideal en el que el vapor de agua del aire se condensa en sus intersticios, y permite cultivos en zonas de precipitación directa insignificante. Ya los romanos empezaron a pensar que las precipitaciones en forma de nieve y agua eran suficientes para alimentar los depósitos y manantiales de agua subterránea. Marco Vitrubio (15 a. de J.C.) comenzó a propugnar esta teoría y a entrever la existencia del ciclo hidrológico como se contempla actualmente. El astrónomo británico Edmond Halley se interesó por el fenómeno de la evaporación porque se empañaban las lentes de sus telescopios y en 1687 estimó la evaporación del Mediterráneo, comparando luego con los aportes de los ríos que allí desembocan, concluyendo que el volumen de agua evaporado un día de verano en el Mediterráneo era superior al volumen de agua que recibe de todos los ríos que llegan él. En 1688 el 6

7 matemático francés De La Hire construyó los primeros lisímetros con el fin de conocer la evapotranspiración de los vegetales. En el siglo XVIII se observaron importantes avances en hidráulica y la mecánica del movimiento de aguas gracias a los trabajos de Bernoulli, Chezy y mucho otros. En el siglo XIX se realizaron trascendentes trabajos experimentales bajo la conducción de gente como Darcy y Manning. Hasta 1930 la hidrología permaneció como una ciencia llena de empirismo, descripciones cualitativas y poco entendimiento general de los procesos que ocurrían. En estos tiempos, gente como Sherman y Horton iniciaron estudios teóricos y análisis más cuantitativos. En ese año se produce un importante incremento en la propuesta de métodos y técnicas hidrológicas y la hidrología se constituye en ciencia. No obstante, fuera de Europa, 500 años antes de J.C., los chinos conocían el ciclo del agua y Kautilya, ministro de la dinastía india de los Maurya ( antes de J.C.) obligaba a medir la lluvia en un cubo colocado delante de almacenes agrícolas. Para los servicios públicos, el primer sistema de anuncio de crecidas que utilizaba jinetes que viajaban más rápido que la ola, se remonta al año Fueron los chinos quienes implementaron este sistema en el Río Amarillo. No debiendo nada al Occidente, los coreanos hacían mediciones de lluvia seguidas y sistemáticas desde 1441 y continúan haciéndolo hasta nuestros días El Ciclo global del agua. Se denomina ciclo hidrológico a la secuencia de fenómenos que permiten la circulación del agua dentro del sistema tierra-atmósfera. El movimiento del agua en el ciclo hidrológico es mantenido por la energía radiante del sol y por la fuerza de la gravedad. La energía solar es la fuente de energía térmica necesaria para el paso del agua desde las fases líquida y sólida a la fase de vapor, y también es el origen de las circulaciones atmosféricas que transportan el vapor de agua y mueven las nubes. La fuerza de gravedad es la que da lugar a la precipitación y al escurrimiento. El ciclo hidrológico es un agente modelador de la corteza terrestre debido a la erosión y al transporte y deposición de sedimentos por vía hidráulica. Condiciona la cobertura vegetal y, de una forma más general, la vida en la Tierra. La transferencia de agua desde la superficie hacia la atmósfera, en forma de vapor de agua, se debe a los fenómenos de evaporación directa, a la transpiración por las plantas y animales y a la 7

8 sublimación (la cantidad de agua movida, dentro del ciclo hidrológico, por este fenómeno es insignificante en relación a las cantidades movidas por evaporación y por transpiración, cuyo proceso conjunto se denomina evapotranspiración). El vapor de agua es transportado por la circulación atmosférica y se condensa después de haber recorrido distancias que pueden sobrepasar 1000 km. El agua condensada da lugar a la formación de nieblas y nubes y, posteriormente, a precipitación. La precipitación puede ocurrir en la fase líquida (lluvia) o en la fase sólida (nieve o granizo). El agua precipitada en la fase sólida se presenta con una estructura cristalina, en el caso de la nieve, y con estructura granular, regular en capas, en el caso del granizo. La precipitación incluye también el agua que pasa de la atmósfera a la superficie terrestre por condensación del vapor de agua (rocío) o por congelación del vapor (helada) y por intercepción de las gotas de agua de las nieblas (nubes que tocan el suelo, el mar o la vegetación a la que suele denominarse precipitación horizontal). Flujos en unidades de 10 3 km 3 /año Estratos impermeables Percolación profunda HIDROLOGÍA Precipitación en tierra Evaporación desde tierra Evaporación 100 Intercepción y transpiración Escorrentía Nivel freático Infiltración 68 Vegetación Suelo Flujo superficial Movimiento aguas subterráneas 32 Embalse 428 Precipitación sobre océano 31 Evaporación Flujo desde océano superficial Intrusiones salinas Océano M E T E O R O L O G Í A El ciclo global del agua tiene dos partes principales La parte terrestre del ciclo hidrológico comprende todo lo que tiene que ver con el transporte, el almacenamiento de las aguas en la Tierra y en el mar. La parte atmosférica por su parte, consta en el transporte de agua en la atmósfera principalmente en forma de vapor. Toda «pérdida» de agua por parte de la rama terrestre del ciclo supone una «ganancia» para la rama atmosférica y viceversa. Así pues es imposible considerar aisladamente las dos partes del ciclo hidrológico. 8

9 El agua que precipita en tierra puede tener varios destinos. Una parte es devuelta directamente a la atmósfera por evaporación; otra parte escurre por la superficie del terreno, escorrentía superficial, que se concentra en surcos y va a originar las líneas de agua. El agua restante se infiltra. Esta agua infiltrada puede volver a la atmósfera por evapotranspiración o profundizarse hasta alcanzar las capas freáticas. Tanto el escurrimiento superficial como el subterráneo van a alimentar los cursos de agua que desaguan en lagos y en océanos. La escorrentía superficial se presenta siempre que hay precipitación y termina poco después de haber terminado la precipitación. Por otro lado, el escurrimiento subterráneo, especialmente cuando se da a través de medios porosos, ocurre con gran lentitud y sigue alimentando los cursos de agua mucho después de haber terminado la precipitación que le dio origen. Así, los cursos de agua alimentados por capas freáticas presentan unos caudales más regulares. El ciclo hidrológico a escala global, por lo tanto, es un sistema complejo de circulación ininterrumpida que, en continuo y a muy gran escala, asegura los procesos de bombeo, destilación y transporte del agua en todas sus formas. El calentamiento de las regiones tropicales debido a la radiación solar provoca la evaporación continua del agua de los océanos, la cual es transportada bajo forma de vapor de agua por la circulación general de la atmósfera, a otras regiones. Durante la transferencia, parte del vapor de agua se condensa debido al enfriamiento y forma nubes que originan la precipitación. El regreso a las regiones de origen resulta de la acción combinada del escurrimiento proveniente de los ríos y de las corrientes marinas. El fenómeno de la circulación del agua constituye una ilustración de la ley de conservación de la materia, agua en nuestro caso. Pero observemos que no toda el agua del sistema climático participa constantemente en el ciclo hidrológico; determinadas cantidades se acumulan durante periodos variables en la atmósfera, la biosfera, la criosfera (en forma de capas de nieve), el mar, los ríos, los embalses y los lagos, y en la litosfera en forma de agua química o físicamente ligada a los suelos o las rocas Ciclo hidrológico atmosférico. El ciclo del agua comprende dos partes principales: la atmosférica y la terrestre. La parte terrestre del ciclo hidrológico está representada por todo cuanto hace referencia al movimiento y al almacenamiento del agua en la tierra y en el mar; es la más estudiada y conocida. La parte 9

10 atmosférica del ciclo está constituida por los transportes de agua en la atmósfera, principalmente en forma de vapor. La interfase entre la atmósfera y la superficie terrestre (incluidos los océanos) definida por los procesos de evaporación y precipitación, constituye el punto de intersección entre ambas partes del ciclo y por lo tanto entre las distintas disciplinas involucradas en su estudio: la hidrología, la meteorología, la climatología, la hidráulica, la química, la geología, la edafología, etc.. Durante mucho tiempo solo la parte terrestre de este ciclo había interesado a los especialistas. Pero hoy en día, en un momento en que se intenta optimizar los métodos de irrigación y de explotación de las aguas, la parte atmosférica conoce también su hora de gloria. Si las interacciones entre las ramas atmosférica y terrestre de la hidrosfera permiten mantener un estado de cuasiequilibrio del sistema climático, la dinámica del ciclo del agua, en contrapartida, esta asegurada por la circulación atmosférica general. Todos los especialistas en hidrología y meteorología están de acuerdo en que la circulación atmosférica general y la atmósfera juegan un papel fundamental y determinante en el funcionamiento del ciclo hidrológico. Pero sólo la instalación relativamente reciente de una red de estaciones aerológicas ha permitido hacer progresar el estudio cuantitativo de la hidrosfera gaseosa y de los movimientos aéreos del vapor de agua, elemento principal de la rama atmosférica del ciclo hidrológico. Hasta estos últimos decenios, los investigadores, por falta de medios, se habían dedicado sobre todo a estudiar la parte del ciclo hidrológico relativa a la Tierra. Sin embargo, tenían que afrontar un cierto número de problemas tales como la dificultad de obtener datos numéricos fiables sobre la evaporación, las modificaciones de la cantidad de agua almacenada y las precipitaciones. Aunque es posible efectuar ciertas estimaciones semiempíricas de la tasa de evaporación, la tasa de expulsión de agua por los organismos vivos y la variación real de la cantidad de agua almacenada en un lugar determinado, es muy difícil llevar a cabo medidas precisas de estas magnitudes. Pero tales datos tienen actualmente una importancia creciente para el establecimiento de planes más eficaces de irrigación y explotación de las aguas. Esta es la razón por la cual los especialistas se han dedicado hace relativamente poco a estudiar la parte atmosférica del ciclo del agua, en la que los procesos que importan son los de evaporación y precipitación Variabilidad regional del ciclo hidrológico. Teniendo en cuenta los procesos que intervienen en el ciclo hidrológico es posible encontrar diferencias significativas en ellos en función de la latitud, la altura sobre el suelo, la orografía, la 10

11 cobertura vegetal, etc.. Veamos algún ejemplo: La distribución de las precipitaciones (P) y de los fenómenos de evaporación (E) en la superficie del globo terrestre sabemos hoy en día que no es uniforme. Así, se observa que en las zonas subtropicales y polares, los fenómenos de evaporación son más importantes que las precipitaciones. Por contra, las precipitaciones dominan en los dos tipos de zonas llamados cinturones de precipitaciones (ver figura). Esto se correlaciona perfectamente con la alta salinidad observada en las bandas de alta evaporación y con la distribución de agua precipitable (Wp) en la atmósfera, la cual muestra máximos en el ecuador (50 Kg/m 2 ) y una disminución continua hacia los polos donde alcanza un mínimo (menos de 5 Kg/m 2 ). La explicación a estas asimetrías encontradas en algunos de los factores que intervienen en el ciclo hidrológico global, debemos buscarla en el papel que juega la circulación atmosférica en el balance de agua en la Tierra, que origina que la precipitación pueda producirse lejos de donde se evaporó el agua. Así podemos ver que los llamados cinturones de precipitación corresponden a la zona de convergencia intertropical (ZCIT) y de otra de latitudes medias, a nivel de las perturbaciones asociadas al frente polar. Así pues, lo que alimenta en continuo estos cinturones- de precipitaciones es el vapor de agua procedente de la evaporación de los océanos subtropicales. Estas distribuciones de precipitación, evaporación y agua precipitable permite trazar el perfil de los flujos medios de vapor de agua en dirección meridiana. Se obtiene así una curva en forma de 11

12 campana cuyo máximo está situado en la vertical del ecuador para la media anual. De las curvas se desprenden dos características principales: de una parte, se constata que en las latitudes medias centradas 40º, el flujo del vapor de agua está dirigido hacia los polos en ambos hemisferios con débiles variaciones estacionales. Por contra, en las latitudes más próximas al ecuador, el flujo de vapor de agua cambia de dirección con las estaciones. No obstante, el balance global anual neto es un flujo de vapor de agua dirigido hacia el hemisferio norte. Este aporte sobrante de agua hacia el norte en la atmósfera debería compensarse con un mayor transporte de agua hacia el hemisferio sur en la parte terrestre del ciclo hidrológico (Hellermann en 1981). Curvas representativas del flujo medio del vapor de agua en la atmósfera en la dirección meridiana ( de un polo a otro) acumulado a lo largo de tres periodos diferentes: un año (A), los meses de Junio - Julio - Agosto (B) y los meses de Diciembre - Enero - Febrero (C). El transporte del vapor de agua, que se efectúa en las regiones inferiores de la troposfera, reino de los fenómenos meteorológicos, está considerablemente afectado por la topografía terrestre. Se constata que la ausencia de cadenas montañosas en la costa occidental de Europa favorece una importante penetración de aire húmedo en el continente eurasiático y las regiones mediterráneas. En Norteamérica, por contra, las Montañas Rocosas, paralelas a la costa oeste, impiden la penetración del aire húmedo procedente del océano Pacífico. La mayoría de las precipitaciones de este continente parece proceder, en todas las estaciones, de la penetración del vapor de agua evaporado en las aguas cálidas del golfo de México. La cordillera de los Andes juega un papel de barrera semejante en Suramérica, donde la mayor parte de las precipitaciones proceden de las aguas de 12

13 evaporación del océano Atlántico. El contenido en agua de la atmósfera no varía solo en función de la latitud y la longitud; depende también de la altitud. El decrecimiento del grado de humedad en función de la altura sigue prácticamente una ley exponencial. Más del 50% del vapor de agua atmosférico está confinado dentro de una capa que corresponde a 1500 metros de altitud (es decir, por debajo de los 850 milibares) y más del 90% del agua precipitable se encuentra a unas altitudes inferiores 5600 metros (a una presión inferior a 500 milibar). Las variaciones estacionales de la cantidad de agua en función de la altitud transcurren paralelamente a las correspondientes variaciones de temperatura y por lo tanto son más pronunciadas en el hemisferio norte que en el hemisferio sur Tiempo de residencia Un parámetro que suele usarse en algunos aspectos de los estudios hidrológicos, como por ejemplo la contaminación, es el tiempo de residencia o tiempo promedio que una molécula de agua puede permanecer en los distintos reservorios de la hidrosfera. Asumiendo un volumen constante de agua en un reservorio dado, lo que implica que los flujos de entrada y salida son iguales (sistema balanceado), el tiempo de residencia se determina en función del cociente entre la masa de agua en 13

14 el reservorio con relación al flujo de agua entrante o saliente del mismo según: F m total_ agua entrate, saliente De la expresión anterior podemos ver que éste parámetro va a ser grande para los reservorios donde el volumen de agua almacenado sea grande con respecto a lo que entra o sale y viceversa. Hagamos algunos cálculos. La masa total de agua presente en la atmósfera en un momento dado ( km 3 ) dividido por las entradas totales (evaporación desde océanos = km 3 /año + evaporación desde tierra= km 3 /año, ver grafica ciclo hidrológico) nos da un tiempo de residencia del agua en la atmósfera de tan solo ~9 días (significa que el contenido en vapor de agua de la atmósfera se renueva unas 40 veces al año). En contraste, la masa total de agua presente en los océanos (1321x10 6 km 3 ) dividida por el total de las salidas a la atmósfera ( km 3 /ano) nos da un tiempo de residencia del agua en los océanos de ~3000 años. Este promedio de tiempo de residencia mucho mayor para cada molécula en este reservorio en relación al tiempo en la atmósfera refleja el gran volumen de agua que se encuentra en los océanos en relación con el volumen presente en la atmósfera. Una estimación de este parámetro para los distintos reservorios puede verse en la siguiente tabla: Reservorio Atmósfera Ríos Lagos Acuíferos subterráneos Océanos Tiempo 9-10 días días años 300 años años Como es lógico estos tiempos medios de permanencia van a tener una gran influencia en la dinámica de los sistemas acuáticos, como por ejemplo los procesos relacionados con la contaminación. Así, si se contamina un río de forma puntual, al cabo de pocos días o semanas puede quedar limpio, por el propio arrastre de los contaminantes hacia el mar, en donde se diluirán en grandes cantidades de agua. Pero si se contamina un acuífero subterráneo el problema persistirá durante decenas o cientos de años. 14

15 2.3. Ciclo hidrológico parcial. Ecuación del balance hídrico. De este esquema global del ciclo hidrológico interesa generalmente analizar lo que sucede en la parte continental y dentro de ésta en espacios o áreas en las cuales se intentará explicitar y posteriormente relacionar y computar a los componentes del ciclo hidrológico. Estos sistemas de referencia son, por lo general, las cuencas. La representación del ciclo del agua puede realizarse mediante esquemas de tipo físico en los cuales se tiene en cuenta una porción del terreno natural donde se indica la existencia del relieve, cursos de agua, cobertura, perfil del suelo y acuíferos. Sobre este sistema actúa el estado atmosférico, y como condición de borde, generalmente se presentan las salidas a un curso de agua. Los esquemas de tipo diagrama de bloque muestran esquemáticamente y en forma sencilla, las relaciones funcionales más directas e importantes entre los fenómenos que intervienen en el ciclo del agua. Las hipótesis y planteamientos básicos de partida son los siguientes: Se dispone de un medio físico representado por una cuenca con sus características de vegetación, suelo y subsuelo. Sobre este sistema físico, actúan los fenómenos atmosféricos representados por el aporte de las precipitaciones y por la demanda de la atmósfera de incorporar vapor de agua. El sistema físico reacciona ante la acción de los fenómenos atmosféricos produciendo cambios internos, representados por distintas formas de almacenamiento y transporte del agua y dando como resultado salidas del sistema físico representadas por el escurrimiento y pérdidas hacia la atmósfera en forma de vapor de agua. Sobre la cuenca pueden actuar también aportes de agua provenientes de otras cuencas, y ésta puede a su vez, tener pérdidas en profundidad por flujo hacia otras cuencas. En este caso se trata de un sistema físico hidrologicamente no aislado. Cuando no existen estos aportes y/o pérdidas, el sistema es entonces hidrologicamente aislado. Los efectos de almacenamiento y transporte que se producen en el sistema físico, se representan por un desarrollo en vertical de diferentes niveles de almacenamiento o reservorio y la comunicación entre los mismos. Los fenómenos que actúan en el ciclo hidrológico y que se grafican en el siguiente esquema, 15

16 SISTEMA DE AGUA SUBSUPERCIAL SISTEMA DE AGUA SUPERFICIAL SISTEMA DE AGUA ATMOSFÉRICA Meteorología y Climatología pueden agruparse en subsistemas más simples, analizarse por separado y por último combinar los resultados a tenor de las interacciones entre ellos. Así, el ciclo hidrológico sobre una cuenca aislada lo podemos representar por tres subsistemas: El sistema de agua atmosférica: engloba los procesos de evaporación, precipitación, intercepción y transpiración. El sistema de agua superficial: engloba procesos de flujo superficial, escorrentía superficial, nacimiento de agua subsuperficial y subterránea y escorrentía hacía océanos y mares. El sistema de agua subsuperficial: engloba procesos de infiltración, recarga de acuíferos (aguas subterráneas), flujo subsuperficial, flujo de agua subterránea. Precipitación (P) Evapotranspiración (E) Intercepción (F) Flujo Superficial (Fs) Escorrentía Superficial (Es) Escorrentía hacia ríos y océanos Infiltración (I) Escurrimiento Subsuperficial (Ess) Recarga de Aguas Subterráneas (Rs) Flujo de Agua Subterránea (Esub) Analicemos con cierto detalle cada uno de ellos. El fenómeno de precipitación (P) es la variable de entrada principal al sistema físico; es la excitación ante la cual reaccionará y se entiende por tal al agua caída en sus diferentes formas (lluvia, nieve, precipitación horizontal, etc). De la cantidad total que precipita, una parte se evapora en la misma atmósfera antes de llegar al sistema físico. Esta proporción puede tener cierta importancia cuando la precipitación se produce en condiciones de una atmósfera ávida de vapor de agua y elevada temperatura. El primer nivel de almacenamiento o reservorio se denomina intercepción (F) y lo constituye 16

17 la cantidad de agua que la vegetación es capaz de detener inicialmente. Es una variable de funcionamiento transitorio, acotada al tiempo de precipitación, cuyo valor depende de las características propias de la vegetación y de su densidad. Parte del agua que inicialmente es retenida por la vegetación escurre por las ramas y el tronco o gotea desde las hojas llegando finalmente al suelo. Otra parte se evapora directamente volviendo a la atmósfera. La cantidad de agua que llega directamente a la superficie del suelo, proveniente del almacenamiento por intercepción o de la precipitación, se la considera como la variable precipitación efectiva (Pe). Una vez que llega al suelo, la superficie del terreno se comporta como un tamiz de malla variable según el tipo y usos del suelo y de la vegetación. Por lo tanto al interior del suelo ingresa el agua con la velocidad con que lo permite el tamiz de superficie. Se denomina infiltración (I) a la cantidad de agua que se introduce desde la superficie hacia el interior del suelo. Cuando la precipitación efectiva supera a la capacidad de infiltración, se origina el denominado escurrimiento superficial (Es) que se propaga sobre el terreno hasta alcanzar líneas preponderantes, concentrarse y constituir finalmente parte del escurrimiento total de un curso de agua. Por último parte de esta agua almacenada en superficie o la que forma parte de la escorrentía superficial puede evaporarse directamente hacía la atmósfera. El agua infiltrada (se habla de infiltración o percolación) constituye la alimentación al tercer sistema, que es uno de los más difíciles de describir por su complejidad y por las diferentes formas de considerar su rol en el ciclo hidrológico. Su funcionamiento se clarifica cuando se analiza separadamente el proceso de humedecimiento y el de desecamiento. Durante una lluvia, el agua que ingresa a poca profundidad puede enfrentarse con capas de suelo de menor permeabilidad relativa, y así dar lugar a la formación de una lámina de detención, la que origina a su vez el denominado escurrimiento subsuperficial o hipodérmico (Ess). Éste se produce en general siguiendo en forma paralela la superficie del terreno hasta que un corte o cambio brusco de pendiente lo hace aflorar en superficie, o hasta aportar directamente a un curso de agua. Se caracteriza por tener en general una velocidad de flujo menor que la de un escurrimiento superficial, lo que provoca un tiempo de agotamiento más prolongado El agua que se ha introducido en el suelo lo va humedeciendo rápidamente y se desplaza hacia abajo, constituyendo lo que se denomina un frente de humedad. De esta forma, hay un determinado volumen de agua que no es retenido por el suelo y que finalmente va a llegar a una 17

18 zona saturada, la cual se apoya sobre un manto impermeable. Durante los períodos en que no existen aportes de agua, se producen en el suelo los procesos de desecamiento. Por una parte, se producen pérdidas por evaporación del suelo húmedo que se encuentra cercano a la superficie. Por otra parte, la vegetación a través de sus raíces toma agua de la almacenada en el suelo y la transpira a través de sus estomas. Al ser la fuente de abastecimiento la misma para estos dos procesos, es prácticamente imposible diferenciar claramente los porcentajes que corresponden a cada uno. Por ello en hidrología son considerados en conjunto bajo la denominación de evapotransipiración (ET). A medida que se va produciendo esta redistribución del agua en el suelo por efecto de la evapotranspiración, la zona saturada (que constituye el almacenamiento freático) alimenta a su vez al suelo que tiene por encima mediante el ascenso capilar. Las relaciones que vinculan al nivel de almacenamiento de agua en el suelo con el nivel de almacenamiento freático, en períodos de humedecimiento y de desecamiento, están fuertemente condicionadas por la profundidad a que se encuentra el segundo de ellos. Un nivel freático muy cerca de superficie y otro muy profundo caracterizan un funcionamiento del sistema totalmente distinto. Se llega así al último de los reservorios planteados en este esquema. El agua que se acumula en este reservorio constituye el acuífero freático su movimiento regido por las leyes del escurrimiento en medios porosos saturados. En una cuenca hidrológicamente aislada, cuando el nivel freático intercepta los cauces que componen la red de avenamiento, el acuífero descarga en ellos generándose así lo que se denomina escurrimiento de base o subterráneo (Esub). Éste, junto con el escurrimiento directo, da por resultado el escurrimiento total que transporta un cauce. Si el nivel de agua en un curso que se intercepta con el nivel freático es mayor que éste, se puede producir el fenómeno inverso, y entonces el agua de escurrimiento del cauce recarga al acuífero 18

19 freático. Debido a las diferentes leyes físicas que gobiernan el escurrimiento directo y el escurrimiento de base, las velocidades y los tiempos de aporte a un cauce son muy diferentes. Generalmente, el escurrimiento directo proporciona los volúmenes de agua más importantes que conforman una crecida debido a una lluvia, mientras el de base proporciona los volúmenes de agua que escurren en períodos no lluviosos. Queda claro, entonces, que el derrame total que transporta un curso en un momento determinado puede estar constituido de aporte directo o de aporte de base o de ambos a la vez. En una cuenca hidrológicamente no aislada pueden existir aportes subterráneos al almacenamiento freático (esporádicos o permanentes), y también pérdidas subterráneas hacia otras cuencas o en profundidad. Resumiendo, para una cuenca hidrológicamente aislada, tenemos variables externas e internas. Se considera variable externa a aquella variable que de una u otra forma relaciona el medio físico que estudiamos con el medio que la rodea. Las variables externas de entrada consideradas son precipitación y aportes subterráneos. Las variables externas de salida son evaporación y evapotranspiración, escurrimiento y pérdidas subterráneas. Se consideran variables internas a aquellas que describen el almacenamiento y el transporte del agua dentro del sistema considerado. Las variables internas de almacenamiento son intercepción por vegetación, almacenamiento superficial y subsuperficial, humedad del suelo y almacenamiento en la capa freática. Las variables internas de transporte son goteo, infiltración, percolación y ascenso capilar Balance hídrico. Cuando se considera el ciclo hidrológico, y conforme al principio de conservación de masa, axioma que en dinámica de fluidos se conoce como la ecuación de continuidad, debe existir un equilibrio entre las variables de entrada, las variables de salida y las variaciones del sistema considerado (con excepción de las reacciones químicas, el agua no se puede crear ni destruir en la superficie de la Tierra). Las relaciones cuantitativas que se establecen para representar dicho equilibrio constituyen las formulaciones de los balances hidrológicos. La cuantificación del ciclo hidrológico de tal sistema conduce a una simple ecuación de balance de masa. Ésta expresa que la diferencia entre los flujos de entrada, I, y salida, Q (volúmenes de agua por unidad de tiempo), debe ser igual a la variación del volumen almacenado: 19

20 ds I Q dt donde S es el volumen almacenado en la región (o volumen) de control. Para poder establecer un balance hidrológico es imprescindible definir el sistema o porción del mismo al que se aplica (estudios de regulación de embalses y en los proyectos de suministro de agua para acueducto, riego y generación hidroeléctrica), así como también el intervalo de tiempo que se considera. Por lo tanto no existe una única expresión del balance sino tantas como asociaciones de sistemas e intervalos de tiempos puedan plantearse. Si se dispone de registros de todas las variables intervinientes durante una serie de años y se plantea el promedio de todos los valores anuales, se obtiene por resultado el balance medio para una cuenca o sistema hídrico determinado. Si esto se hace por una cuenca hidrológicamente aislada y además se cumple con el requisito de que el sistema sea estacionario, es decir, sea invariante temporalmente, lo que proporciona series de datos homogéneos, se encuentra la siguiente relación: P E A donde P es la precipitación media anual, E representa las pérdidas por evaporación y evapotranspiración media anual, y A es el escurrimiento medio anual (todas referidas al período considerado). Como resulta evidente, las variaciones de almacenamiento que son de signos positivo y negativo en una serie de años se anulan al promediarse. Si esto no se verificara significaría, por ejemplo, que los almacenamientos superficiales promedios, o la humedad promedio del suelo o el nivel freático medio, tienden a aumentar o disminuir con el tiempo y por lo tanto deja de ser ya un sistema estacionario. Para una cuenca no aislada hidrológicamente, la ecuación general del balance hídrico tendría la siguiente forma: 20

21 P + Qa + G = E + Q + ds siendo: 1. P es la precipitación en el período seleccionado. 2. Qa es el aporte superficial de cuencas vecinas. 3. G constituye el flujo neto de aguas subterráneas desde y hacia cuencas vecinas. 4. E representa la evapotranspiración real en la cuenca. 5. Q es el caudal superficial que sale de la cuenca que se analiza. 6. ds es el cambio en almacenamiento superficial y subterráneo. Incluye almacenamiento en cauces, embalses, suelo y acuíferos. El balance hídrico anual para la Isla de Tenerife, según datos del Plan Hidrológico, arroja unos valores que se resumen en la siguiente tabla: BALANCE HIDRICO DE SUPERFICIE Media del período 1986/87 a 1992/93 mm/año hm 3 /año Precipitación (P) ,6 Evapotranspiración (ET) ,5 Escorrentía (ES) 7 14,3 Infiltración (I) , Cambio Climático y Ciclo Hidrológico. El cambio climático global, del que se comienzan a tener evidencias, está generando un calentamiento a nivel planetario que podría tener repercusiones importantes en el ciclo hidrológico, entre otros. El intercambio de agua entre el océano, la atmósfera y la tierra, que constituye lo que hemos denominado ciclo hidrológico global, se vería incrementado con el aumento de temperatura (mayores movimientos del agua a través de la evaporación, precipitación y corrientes). La mayor inercia térmica (resistencia al cambio de temperatura) de los océanos con respecto a las superficies 21

22 continentales haría que éstas se calienten más rápidamente que los océanos ( que supuestamente se deben calentar mas lentamente). Este incremento en la temperatura en las superficies continentales puede dar lugar a una mayor tasa de evapotranspiración dando paso a una menor humedad en el suelo y condiciones mas áridas en ciertas áreas continentales. Ya que la mayoría de la precipitación se genera de los océanos, las áreas terrestres podrían experimentar sequías severas durante el periodo de calentamiento global. Dichos cambios en la precipitación y evaporación darán paso a ajustes a gran escala en cuanto a la distribución de la vegetación y la producción neta primaria global. 22