I) EL CICLO DEL AGUA. 1. Distribución del agua en la hidrosfera. Concepto de tiempo medio de residencia.

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1 TEMA 3: LA HIDROSFERA. I) EL CICLO DEL AGUA. 1. Distribución del agua en la hidrosfera. Concepto de tiempo medio de residencia. El agua es el compuesto químico más abundante en la biosfera, así como el único compuesto en estado líquido abundante en la Tierra. Es esencial para el sustento de la vida en nuestro planeta. Llamamos hidrosfera al conjunto de todo el agua, en sus distintas fases, existentes en la Tierra. Distinguimos la siguiente distribución en depósitos o compartimientos: OCÉANOS % GLACIARES % AGUAS SUBTERRÁNEAS 0.57% LAGOS Y RÍOS 0.01% ATMÓSFERA % BIOSFERA % (Distribución del agua en los distintos compartimientos de la hidrosfera) Dentro de cada depósito el agua permanece un tiempo variable. Al tiempo que permanece por término medio una molécula en cada depósito, se denomina tiempo medio de residencia. Si suponemos que no varía el volumen de un depósito con el tiempo, entonces: Volumen del compartimiento en km 3 Tiempo de residencia en años = Flujo de salida en km 3 / año El tiempo medio de residencia del agua en los distintos compartimientos es: ATMÓSFERA 9-10 DÍAS RÍOS DÍAS LAGOS AÑOS ACUÍFEROS AÑOS GLACIARES AÑOS OCEÁNOS AÑOS 1

2 2. Ciclo del agua y balance hídrico general. El agua en la naturaleza sigue un ciclo más menos cerrado, en el que fluye entre los distintos depósitos. El motor de este ciclo es la energía solar y la gravedad. Este ciclo se resume como sigue: el agua se evapora de los océanos (la máxima evaporación se produce en los océanos tropicales), pasando a la atmósfera, donde se condensa y precipita. La mayor parte de las precipitaciones cae sobre los océanos, la otra parte cae sobre los continentes, dando lugar al ciclo hidrológico continental, que sostiene a la vida sobre los continentes. El agua permanece en los continentes en forma de glaciares, ríos, lagos o bien se infiltra formando aguas subterráneas, permaneciendo un tiempo variable en cada depósito. Por último la escorrentía superficial y subterránea devuelve el agua a los océanos. (Ciclo de hidrológico) La cantidad total de agua en nuestro planeta está cifrada en aproximadamente x 10 5 km 3. De esta cantidad el agua que entra anualmente en el ciclo es de unos 420 x 10 3 km 3. Los flujos más importantes son los que se dan entre los océanos y la atmósfera, y entre las capas superficiales y profundas de los océanos. (Balance hídrico general) 2

3 En los océanos existe un balance negativo, ya que se evapora más agua de la que precipita directamente sobre los mismos. En cambio, los continentes poseen un balance positivo, ya que precipita más de lo que se evapora. El excedente anual en los continentes es devuelto a los océanos por la escorrentía: 3. Composición química de la hidrosfera. Salinidad y gases disueltos. Una de las características químicas más importante del agua es su capacidad para actuar como disolvente de gases, líquidos y sólidos. Además las aguas transportan sustancias en suspensión, como las arcillas y la materia orgánica. LA SALINIDAD se define como la concentración total de iones disueltos presentes en el agua. El agua marina posee una salinidad de g/kg, que equivale al % de concentración en peso. La salinidad en el océano varía con la latitud, siendo muy elevada en los océanos tropicales debido a la intensa evaporación y escasez de precipitaciones. En cambio es baja en la zona ecuatorial debido a las elevadas precipitaciones, y en los polos por la baja evaporación. El mar Mediterráneo posee un elevada salinidad (3.8 %) ya que es un mar cerrado con intensa evaporación. (Circulación a través del Estrecho de Gibraltar) La salinidad condiciona la fisiología de los seres vivos marinos. También, junto con la temperatura, determina la densidad del agua, que a su vez determina la circulación de fondo o termohalina. Aunque la salinidad varíe de un océano a otro, la proporción de iones disueltos se mantiene constante: 3

4 ANIONES CATIONES Cl - Na + SO 2-4 Mg 2+ CO 3 H - Ca 2+ Br - K + (Orden en un depósito evaporítico) El origen de la salinidad marina se debe a dos procesos: 1. El aporte de los ríos que disuelven los iones de la corteza terrestre y que transfieren a los océanos, mediante los procesos de escorrentía-lavado-precipitación. 2. Aporte por emisiones volcánicas submarinas (sobre todo en dorsales), rica en sales (este sería el origen mayoritario del cloro, ya que este es un elemento raro en la corteza). La composición química de las aguas continentales es muy heterogénea, tanto en cantidad como en los iones disueltos. Los aniones más abundantes son CO 3 H - y SO 4 2-, y los cationes Ca 2+ y Mg 2+. No obstante depende del tipo de rocas por las que discurra el agua ya que el origen principal de las sales de los ríos y lagos es el proceso de lavado de las rocas de la corteza. Las precipitaciones y la evaporación también influyen en la composición química. (Comparación entre las aguas procedentes de regiones calcáreas y de regiones ígneas) 4

5 (Composición iónica media del agua de mar, de lluvia y de río) (Representación de los procesos que controlan la química de las aguas superficiales) GASES DISUELTOS. Los gases presentes en la atmósfera son todos solubles en agua, pero con diferentes solubilidades, así el CO 2 es 31 veces más soluble el O 2. La solubilidad de un gas en agua está determinada por la ley de Henry: Solubilidad = c P 0 Siendo c el coeficiente de solubilidad, que varía para cada gas y P 0 la presión parcial. La solubilidad de un gas es función inversa la temperatura y por tanto disminuye con esta. La concentración de un gas en agua se mide en mg/l o ml/l. (Gráfica de la solubilidad del O 2 en agua) 5

6 La distribución del O 2 en el agua depende sobretodo de la temperatura y de la relación entre la fotosíntesis y respiración. Un lago con gran disponibilidad de nutrientes puede soportar una gran comunidad fitoplanctónica, donde la fotosíntesis genere elevadas cantidades de materia orgánica. A este tipo de masa de agua (generalmente lagos) se llama aguas eutróficas. En el otro extremo tendremos las aguas oligotróficas, donde los nutrientes son escasos, limitan la capacidad fotosintética del fitoplancton, y consecuentemente, la producción de materia orgánica. En lagos eutróficos donde la estratificación del aguas impide la oxigenación del hipolimnion, el exceso de materia orgánica que sedimenta desde el epilimnion, es mineralizada por las bacterias lo que produce el agotamiento del oxígeno dando lugar acondiciones de anoxia. (Perfil de oxígeno en el océano, en un lago eutrófico y en un lago eutrófico) El CO 2 en disolución desencadena una serie de transformaciones químicas que constituyen el llamado sistema carbónico-carbonato: A la suma de CO 2, CO 3 H 2, CO 3 H - y CO 3 2- se la conoce como carbono inorgánico total. En relación con estos conceptos definidos alcalinidad al exceso de cargas positivas en el medio acuático y que es equilibrado por los iones carbonatos y bicarbonatos. En otras palabras la alcalinidad es una medida de la concentración molar de los iones carbonatos y bicarbonatos. (Distribución vertical del carbono inorgánico en un lago eutrófico y en el océano) 6

7 4. Distribución de la luz y la temperatura con la profundidad. La intensidad de la luz en el medio acuático disminuye exponencialmente con la profundidad. El agua absorbe de forma selectiva las radiaciones de diferentes longitudes de onda, siendo los infrarrojos y ultravioletas las primeras en absorberse. La radiación visible es la que alcanza mayor profundidad, y dentro de esta, el color azul. En función de la presencia de luz en el medio acuático, distinguimos dos zonas: ZONA FÓTICA, o zona con luz cerca de la superficie, donde se puede por tanto llevar a cabo la fotosíntesis. ZONA AFÓTICA, o zona profunda sin luz (se suele considerar zona afótica cuando la intensidad luminosa decae por debajo del 1%) Puesto que la absorción de la luz se lleva a cabo en los primeros metros de la columna de agua, la temperatura irá disminuyendo con la profundidad. A partir de cierto punto, se produce un rápido descenso de la temperatura, a esta zona se le llama termoclina, por debajo de esta la temperatura sigue descendiendo lentamente. La termoclima tiene gran importancia, ya que actúa como una barrera que impide la mezcla entre el epilimnion y el hipolimnion. Esto a su vez tiene como consecuencia: 1º El epilimnion es una capa luminosa rica en O 2, pero pobre en nutrientes minerales. 2º El hipolimnion es una capa oscura (y por tanto sin actividad fotosintética) y rica en nutrientes. Donde la actividad respiratoria hace que la concentración de O 2 sea baja. (Perfil térmico y variación en la concentración de O 2 en un lago templado y el océano) II. AGUAS CONTINENTALES 5. Distribución de las aguas continentales Los principales depósitos continentales son los que a continuación se detallan: 7

8 GLACIARES: Constituyen el principal depósito continental. Los mayores se encuentran sobre la Antártida y Groenlandia, con un espesor de hasta m, denominados islandsis. Otro tipo de glaciar son los glaciares alpinos, que son masas acumuladas sobre los relieves montañosos, constan de un circo y lengua glaciar. (Esquema de un islandsis y un glaciar alpino) RÍOS. El agua de arroyada, la de fusión de la nieve y la que aflora de los acuíferos, se va canalizando para acabar con el tiempo en un curso fluvial. Actualmente los ríos devuelven al mar un volumen aproximado de 37 x 10 3 km 3. Excepto en los desiertos y las zonas glaciares, constituyen el principal agente modelador de la superficie. Se denomina cauce a los puntos más bajos del terreno por donde discurre el agua, configurando lo que se conoce como redes de drenaje. Las áreas situadas entre los cauces se llaman interfluvios, y en ellos los puntos más elevados corresponden a las divisorias de aguas. Toda la superficie cuyas aguas van a parar a un mismo río se designa como cuenca hidrográfica de dicho río. Endorreico, se llama así a una cuenca cerrada donde termina un río o rambla, sin que pueda desembocar en otro río o el mar. Las cuencas pueden agruparse en vertientes, según drenen a un océano u otro. En el caso de España son las vertientes atlántica, cantábrica y mediterránea. (Esquema de un valle fluvial y sus partes) 8

9 (Esquema de las vertientes cantábrica, mediterránea y atlántica) LAGOS. Bajo este término se incluye diferentes tipos de masad de agua que pueden tener un origen muy diverso, tamaño muy variable y una concentración de sales también muy variable. Según su origen geológico se clasifican en: - LAGOS DE CRÁTER, se originan en una caldera volcánica. - LAGOS GLACIARES, se forman en valles o circos glaciares, cuando el hielo se funde. - LAGOS TECTÓNICOS, se producen cuando el agua ocupa el fondo de una fosa tectónica. En función de la estratificación y mezcla de sus aguas, se distinguen: - LAGOS MONOMÍCTICOS, con un solo periodo de mezcla (normalmente en otoño). - LAGOS DIMÍCTICOS, caracterizados por tener dos periodos de mezcla (uno en primavera y otro en otoño). HUMEDALES O FORMACIONES PALUSTRES. Son áreas con una lámina de escasa profundidad. En ocasiones constituyen complejos endorreicos. Según el tipo de humedal reciben distintos nombres: ALBUFERA, MARISMAS, LAGUNAS 6. Dinámica de las aguas continentales: balance hídrico de una cuenca y el diagrama hídrico. Durante, el ciclo hidrológico, una parte del agua circula por los continentes, configurando el ciclo hidrológico continental: (Ciclo hidrológico continental) 9

10 El agua que precipita sobre los continentes es de nuevo devuelta a la atmósfera por la evaporación directa, cosa que sucede en la parte superior del suelo y que poco a poco va progresando hacia el interior (en los desiertos las condiciones de sequedad se extiende a profundidades de varios metros). Por otro lado las plantas también extraen agua de la capa edáfica. Esta agua es descargada por los poros de las hojas en forma de vapor, proceso conocido como transpiración. A la suma de las pérdidas combinadas por evaporación directa y transpiración se conoce como evotranspiración. Otra parte del agua discurre por la superficie en forma de escorrentía superficial (aguas de arroyada, torrentes, ríos..). Por último otra parte se infiltra alimentado las aguas subterráneas, las cuales antes o después afloran a la superficie. Se denomina BALANCE HÍDRICO DE UNA CUENCA a la resultante entre las entradas por precipitación, y las salidas por evotranspiración, escorrentía directa e infiltración: P = ERT + ED + I + (CAMBIOS EN LAS RESERVAS DE AGUA) Ejemplos: Total de España: P = 81% ETR + 9 % ED + 10 % I. Cuenca del Jucar: P = 84 % ETR + 4 % ED + 12 % I. P= 375 mm/año Se denomina HIDROGRAMA a un gráfico que relaciona las variaciones del caudal de un río respecto al tiempo. Llamamos CAUDAL al volumen de agua (flujo de agua) que pasa por un punto de un río en un periodo determinado. Se suele medir en m 3 /s. Llamamos caudal ecológico a la cantidad mínima de agua que debe transportar un río para sustentar los ecosistemas que dependen de él. El hidrograma nos informa sobre la dinámica fluvial (comportamiento del río), nos ayuda a prever riesgos como as avenidas y sus consecuencias, las inundaciones; así como a racionalizar los recursos hídricos. Los hidrogramas suelen mostrar un pico máximo, que en climas templados se da en primavera, y en los climas subpolares en verano. La construcción de presas ( y también la presencias de grandes lagos) suaviza el perfil del hidrograma. La forma de un hidrograma también depende del tamaño y forma de la cuenca, así como de las actuaciones que el hombre ejerce sobre la misma. Por ejemplo una gran deforestación hace que el hidrograma sea mucho más marcado, aumentando el riesgo de inundaciones, ya que el agua tiende a discurrir por la superficie (escorrentía directa) y no se infiltra. (Esquema de varios tipos de hidrogramas) 10

11 Una de las funciones de los hidrogramas es estudiar la evolución de las avenidas o crecidas, que se definen como un incremento rápido e intenso en el caudal de un río, y que constituyen uno de los principales riesgos geológicos. (Hidrograma de una avenida) 7. Las aguas subterráneas: conceptos fundamentales. Tipos de acuíferos. Una vez que los poros del suelo están saturados de agua, ésta desciende por gravedad infiltrándose en el subsuelo para formar las aguas subterráneas también llamada agua freáticas. Se denomina infiltración al proceso por el cual el agua penetra a través del terreno para formar las aguas subterráneas. Depende de varios factores: Tipo de precipitación: las lluvias torrenciales favorecen la escorrentía superficial. La cubierta vegetal: las plantas favorecen la infiltración (ya que frenan el agua y la canalizan hacia el interior) La pendiente del terreno: cuanto mayor la pendiente más se favorece la escorrentía. Permeabilidad: la permeabilidad es la capacidad de la roca para permitir (transmitir) el paso del agua a su través. Está relacionada con la porosidad, es decir, cantidad de poros que tenga la roca, y más correctamente con la porosidad eficaz, que es el volumen de poros conectados y con un tamaño adecuado. Volumen de poros conectados POROSIDAD EFEICAZ = X 100 Volumen total de poros En función de su permeabilidad y porosidad distinguimos tres tipos de rocas: - ACUÍFEROS: rocas porosas y permeables (gravas, arenas ) que pueden transmitir y acumular agua. - ACUÍFUGOS: rocas impermeables y no porosas (granitos no figurados.), no acumulan ni transmite agua. - ACUICLUIDOS: rocas porosas e impermeables (arcillas.) que pueden acumular agua, pero no la transmiten. 11

12 (Porosidad y permeabilidad de algunas rocas) En un acuífero el agua subterránea se acumula y circula a través de sus poros o grietas, se llama nivel freático a la altura que alcanza el agua en un acuífero. Por encima de éste se encuentra la zona de aireación, cuyos poros están llenos de aire. Por debajo se encuentra la zona de saturación, cuyos poros están llenos de agua. El nivel freático está sometido a continuas variaciones, así sube en invierno y baja en verano. La acción del hombre también modifica su forma, creándose una depresión en forma de cono bajo una estación de bombeo, llamada cono de depresión o de bombeo. El agua en un acuífero se mueve desde las zonas de mayor energía potencial a las de menor energía potencial, es decir desde las zonas de recarga a las zonas de descarga. Se distinguen dos tipos de acuíferos: ACUÍFEROS LIBRES y ACUÍFEROS CONFINADOS. Un acuífero libre es aquel que no está limitado por encima por un nivel o capa impermeable, por tanto la presión del agua es igual a la atmosférica. Un acuífero confinado es aquel que está limitado por encima por un nivel impermeable y la presión del agua puede ser superior a la atmosférica, por ello cuando se perfora la capa superior, el agua surge espontáneamente. Este tipo de perforación se denomina pozo artesiano. La altura que alcanza el agua en un pozo artesiano se denomina nivel piezométrico, que es un reflejo de la presión que alcanza le agua dentro del acuífero confinado. (Esquemas de acuíferos libres) 12

13 (Esquema de un acuífero confinado) III. DINÁMICA DE LOS OCÉANOS. 8. Las corrientes marinas: superficiales y termohalinas. La Gran Cinta Transportadora. En relación con la dinámica de los océanos se puede considerar dos capas: una superficial, por encima de la termoclna, afectada por las corrientes superficiales,influenciada por el viento y el oleaje. Y otra por debajo de la termoclina, afectada por las corrientes profundas o termohalinas. Entre ambas existen conexiones, son las zonas de afloramiento y las zonas de hundimiento. (Esquema del relieve submarino) (Principales regiones oceánicas) 13