3. Circulación Oceánica y Clima

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1 Módulo I: Motores de la Biosfera 3. Circulación Oceánica y Clima Capítulo 13 El ciclo hidrológico Joaquim Ballabrera Unitat de Tecnologia Marina, CSIC, Barcelona

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3 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).

4 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

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6 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. Reservorio Volúmen * Porcentaje Océanos ,25 Hielos 29 2,05 Agua freática 9,5 0,68 Lagos 0,125 0,01 Humedad del suelo 0,065 0,005 Atmósfera 0,013 0,001 Ríos 0,0017 0,0001 * (10 6 km 3 ) Biosfera 0,0006 0,00004

7 El ciclo del agua El ciclo del agua no tiene principio ni fin, pero la mayor transferencia de agua es evaporación de agua oceánica m 3 /year E = 361 Atmósfera P = 324 E = 62 P = 99 E = 37 Suelo Hielos Freática Lagos Ríos Humedad Biosfera Océanos Peixoto and Oort (1991) P :: Qué porcentaje de la precipitación global tiene lugar en el océano?

8 Evaporación menos precipitación 3 Volumen lluvia m m P = = = 2 Unidad área tiempo m s s

9 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. Reservorio Océanos Glaciares Nieve estacional Humedad del suelo Freática superficial Freática profunda Ríos Atmósfera Tiempo de residencia años años 2 6 meses 1 2 meses años años 2 6 meses 9 días P :: Calcular el tiempo de residencia del agua en el océano a partir de los datos siguientes: Volumen : 1370 x 10 6 km 3. Flujo: 361 x m 3 /year.

10 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 16 O. (Sólo una molécula de cada 500 es 18 O). Al ser más ligero, 16 O se evapora más, aumentando la concentración de 18 O en el líquido restante. El océano es rico en 18 O; lluvia y nieve ricas en 16 O. A mayor temperatura, mayor cantidad de 18 O que se evapora: Hielo con déficit de 18 O 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.

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12 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

13 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: Elemento H N O Peso molecular

14 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): = p + p + p p + e P total N O H O d Composición aire: 80% Nitrógeno, 20% Oxígeno, 1% vapor agua

15 El ciclo del agua Humedad específica: La cantidad de vapor en kg que hay en 1 kg de aire (seco y húmedo): M HO ρ 2 HO 2 q = = M + M ρ Ley de Dalton Ley de gases ideales Ecuación de estado d d H O p = p + e p = p e p = d d d HO 2 ρ R T e = ρ R T HO 2 2 Rd = ρho 2 T d R R R R 2 2 d HO d HO = = R M d R M M HO 2 HO = = = p e e p e ρ = ρd + ρh O = + = RdT RdT RdT p Qué le pasa a la densidad al aumentar la presión parcial de vapor, si p=cte.? M d 0.622

16 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: Relación de Clausius-Clapeyron e s exp L R T d Aire caliente puede albergar mayor cantidad de vapor de agua que aire frío

17 El ciclo del agua Promedio anual de la humedad específica superficial (g/kg)

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19 El ciclo del agua Ecuación de balance del agua en el bucle terrestre: Almacenamiento S = P E R R Precipitación Escorrentía superficial Evaporación o u Escorrentía subterránea Para grandes áreas, el promedio de escorrentía subterránea se suele despreciar : { P} { E} = { S} + { R } o

20 El ciclo del agua Ecuación de balance del agua en el bucle atmosférico: Agua precipitable Transporte de agua precipitable p o dp W ( λφ,, t) = q g Q( λφ,, t) = 0 0 p o dp qu g humedad específica El promedio temporal del balance de agua en la atmósfera es: W t + divq = E P

21 El ciclo del agua Los ciclos del agua terrestre y atmosférico se hallan ligados por el término de evaporación menos precipitación: W + = t { divq} { S} { R } o

22 Flujos Zonales p o dp Q λ = quλ g 0 El promedio anual del flujo zonal de humedad sigue (e influye en) el patrón de circulación general atmosférica.

23 Flujos Zonales Flujo zonal de humedad debido a torbellinos.

24 Flujos Meridionales p o dp Q φ = quφ g 0 El promedio anual del flujo meridional, pequeño comparado con el flujo zonal, es de vital importancia para mantener el balance global del agua.

25 Flujos Meridionales Flujo meridional de humedad debido a torbellinos: generalmente hacia los polos. Mismo transporte que el campo promedio.

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27 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.

28 Flujos Meridionales El ciclo del agua tiene un papel significativo en el transporte de calor hacia los polos. 1 Sv (Sverdrup) son 10 6 m 3 s -1 equivalente a 10 9 kg s -1 Calor latente de evaporación es L= J kg -1 Un flujo de 0.6 Sv equivale a 0.6 x W que es igual a 1.5 PW de calor latente.

29 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.

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31 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.

32 Transporte entre cuencas Transporte de agua dulce (10 9 kg s -1 ).

33 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, [ T T S S ] ρ = ρ 1 α( ) + β( ), r r r el flujo de densidad debido a un flujo de E-P es Flujo halino de J = β S( E P) S densidad y el flujo de densidad debido a un flujo de calor es JT Q α = Flujo térmico de densidad

34 Ganancia de 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. Schmitt et al. (1989)

35 Seguimiento del ciclo del agua El satélite Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) de la ESA fue lanzado el 2 de noviembre de 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.

36 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 océanoatmósfera viene dado por el flujo de calor, excepto en unas pocas zonas donde el flujo de masa (E-P) juega un papel preponderante.

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