La Hidrosfera

1. Distribución del agua en la hidrosfera 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…………………...............97.40% GLACIARES………………………….. 2.02% AGUAS SUBTERRÁNEAS ………… 0.57% LAGOS Y RÍOS ……………………… 0.01% ATMÓSFERA ………………………... 0.001% BIOSFERA …………………………… 0.00004%

VOLUMEN (km3) % SOBRE EL TOTAL   TOTAL DE AGUA 1.386·106 100 OCÉANOS 1,350·106 97’4 GLACIARES 28·106 2’02 AGUAS SUBTERRÁNEAS 8·106 0’57 LAGOS Y RÍOS 200.000 0’01 ATMÓSFERA 13.000 0’001 BIOSFERA 600 0’00004 Cantidades totales de agua almacenadas en las reservas de la hidrosfera

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.

ANIONES CATIONES Cl - Na+ SO42- Mg2+ CO3H - Ca2+ Br - K+

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).

IONES mg/L Cloro (Cl-) 19.353 Calcio (Ca2+) 413 Sodio (Na+) 10.760 Potasio (K+) 387 Sulfato (SO42-) 2.712 Bicarbonato HCO3-) 142 Magnesio (Mg2+) 1.294 Bromo (Br-) 67 Iones más abundantes disueltos en el agua marina

La composición química de las aguas continentales Es muy heterogénea, tanto en cantidad como en los iones disueltos. Los aniones más abundantes son CO3H- y SO42- , y los cationes Ca2+ y Mg2+. 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.

Gases disueltos La solubilidad de los gases disminuye con el aumento de la temperatura. Contenido en oxígeno.-  Existe una zona superficial de máximo contenido en O2, aportado por la atmósfera y por la actividad fotosintética de las plantas marinas y el fitoplancton. Bajo esta capa, coincidiendo con la termoclina, la cantidad de oxígeno se hace mínima, porque lo consumen los organismos animales y no es regenerado por los vegetales, por la ausencia de luz. En aguas más profundas, la cantidad de oxígeno toma un valor uniforme hasta el fondo marino.  El CO2 es mas soluble en agua que el O2

Características físicas del agua Las moléculas de agua actúan como pequeños dipolos eléctricos, lo que permite que se unan hasta 8 ó 9 mediante puentes de hidrógeno. Esta característica determina, al menos en parte, las siguientes propiedades: 1.      El punto de fusión se sitúa en 0 ºC y el de  ebullición a 100 ºC. 2.      Facilita la fusión de las rocas.

3.      El hielo tiene una densidad de sólo 0,917 g/cm3, mientras que la del agua dulce es de 1 g/cm3, aunque puede haber variaciones en función de la temperatura y de la salinidad. Esta propiedad impide helarse a los océanos polares bajo la banquisa, permitiendo la vida. 4.       Elevado calor específico que le permite absorber grandes cantidades de calor sin cambiar mucho su temperatura, por lo que influirá en el clima. El calor almacenado durante la insolación se transfiere por convección hacia zonas más frías (aguas profundas,  atmósfera en invierno, otros lugares menos calientes).

5.      Alto calor de vaporización, es decir, las moléculas que pasan a vapor se llevan gran cantidad de movimiento. La consecuencia de ello es su poder refrigerante (sudor, jadeo, transpiración de las plantas, automóviles, industria). 6.      Elevada tensión superficial y gran capacidad humectante o adsorbente  (se adhiere a un sólido y lo recubre, que no debe confundirse con absorbente). Gracias a estas propiedades puede ascender por capilaridad (en plantas, hasta varios metros). 7.      Gran poder disolvente. Puede disolver gran variedad de compuestos: en seres vivos transporta nutrientes y sustancias de desecho. En ríos y océanos distribuye sales. También se contamina con facilidad.

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 termoclina 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 O2 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 O2 sea baja.

En zonas tropicales, en los océanos, existe una termoclina permanente durante todo el año que suele ser muy acusada. En las polares, la temperatura del agua es baja durante todo el año y mas o menos constante a cualquier profundidad. En zonas templadas existe una termoclina durante el verano que desaparece en invierno al disminuir la temperatura de la superficie. En lagos profundos también se puede formar termoclina

Dinámica de la hidrosfera

El ciclo del agua

Tiempo de residencia Si suponemos que no varía el volumen de agua de los diferentes compartimentos ( entra la misma cantidad de agua que sale), se puede calcular el tiempo de residenciadel agua en los mismos: t= Vi/ Ei T= tiempo medio de residencia en años Vi= volumen del compartimento en km3 Ei= entradas al compartimento (km3 /año)

. Si suponemos que no varía el volumen de un depósito con el tiempo, entonces: El tiempo medio de residencia del agua en los distintos compartimientos es: ATMÓSFERA ……………………………9-10 DÍAS RÍOS ……………………………………..12-20 DÍAS LAGOS ……………………………………1 – 100 AÑOS ACUÍFEROS ……………………………..300 – 5000 AÑOS GLACIARES …………………………….. 8000 AÑOS OCEÁNOS ………………………………. 3000 AÑOS

Dinámica de los océanos

Las olas Son ondas que se desplazan por la superficie de mares y océanos, puestas en marcha por el viento, y son el principal agente de modelado de las costas. Tanto la ondulación como el movimiento circular de las partículas de agua es superficial y a cierta profundidad las aguas están quietas. La parte alta de la ola se llama cresta y la parte baja seno.

Causas de las olas. 1. El viento. Transmite parte de su energía a la superficie del agua por rozamiento. Es la causa principal. 2. Maremotos. 3. Corrientes. 4. Mareas. 5. Erupciones volcánicas.

Mareas Las mareas se originan como consecuencia de los efectos de la gravedad entre la Tierra, la luna y el sol. La Tierra y la luna giran alrededor del centro común de sus masas que esta situado en la Tierra, pero no centrado.

La fuerza gravitatoria del sistema Tierra-Luna esta equilibrada por la fuerza centrífuga del sistema. La inercia del agua a escapar por efecto del movimiento rotación de la Tierra es constante en toda la superficie del planeta. La fuerza gravitatoria que ejerce la Luna sobre la Tierra es mayor en el punto de la superficie mas cercano a la Luna y será menor en la zona mas alejada de la Luna, por tanto en la zona mas cercana a la Luna el agua se eleva hacia ella (gravedad de la Luna mayor que la inercia constante) y en la zona mas alejada se eleva alejándose de la Luna (inercia constante de la Tierra mayor que la gravedad lunar).

Durante un giro completo de la Tierra sobre si misma, en un punto determinado de esta habrá dos mareas altas (las correspondientes a las posiciones mas alejadas y cercanas a la Luna) y dos mareas bajas (las posiciones intermedias).

*Cuando la Tierra, la Luna y el Sol están en línea recta (luna llena o luna nueva) tendrán lugar las mareas vivas, pues el efecto del Sol se suma a el de la Luna. En ellas la diferencia que hay entre la bajamar y la pleamar es máxima. *Cuando la Luna, la Tierra y el Sol están en ángulo recto (cuarto creciente o cuarto menguante) tendrán lugar las mareas muertas, en las que la diferencia entre la pleamar y la bajamar es mínima.

Corrientes Una corriente oceánica es un flujo persistente de agua de componente fundamentalmente horizontal, cuyo principal efecto a escala planetaria es la redistribución del calor recibido por la tierra. Las diferencias de temperatura, de salinidad, la rotación terrestre, las tormentas, los terremotos, etc., originan corrientes de agua: superficiales, profundas, de deriva, de contorno, de turbidez, etc. Uno de los efectos más importantes de las corrientes es la distribución del calor en el planeta.

Tipos: Corrientes superficiales Son desplazamientos de masas de aguas que se deben a los vientos superficiales permanentes que transfieren su energía al agua por rozamiento La aceleración de Coriolis, debida a la rotación de la Tierra, provoca que las masas de agua en movimiento desvíen su trayectoria en el hemisferio Norte hacia la derecha y en el hemisferio Sur hacia la izquierda. La disposición de las masas continentales influye también en la trayectoria de las corrientes, formándose unos sistemas giratorios que se mueven en el hemisferio Norte- en el mismo sentido de las agujas del reloj, y en el hemisferio Sur en sentido contrario.

Corrientes más importantes: Los vientos alisios causan corrientes ecuatoriales dirigidas hacia el Oeste. Los vientos del Oeste, de las latitudes medias dan lugar a la corriente del Golfo o de Florida, la corriente de Kuroshio, en Japón, la corriente fría de Humboldt, la corriente de Benguela, y la corriente de Canarias. Otras que merecen mención son las frías del Polo Norte, como la corriente de Labrador, la de Kanchatka y la de Groenlandia.

Las corrientes profundas Se forman por las diferencias de densidad de las aguas, debido a los cambios de temperatura y salinidad, por lo que también se llaman corrientes termohalinas. El agua fría y densa de los mares polares desciende hacia las capas profundas del océano y se dirige hacia el ecuador, desplazando hacia la superficie las aguas más cálidas. En estas corrientes inciden la topografía del fondo oceánico (dorsales, talud) y el movimiento de rotación terrestre.

Un efecto de las corrientes superficiales, importantísimo desde el punto de vista biológico, es el denominado afloramiento (en ingles upwelling). En las zonas orientales de los océanos tropicales (costa oeste de los continentes) el agua se separa de la costa debido a la influencia de los vientos alisios que soplan en era zona hacia el Oeste. El agua que se mueve es reemplazada por agua profunda y fría. Estas zonas se llaman zonas de afloramiento.

Estas aguas que afloran, al proceder de aguas profundas donde no llega la luz solar y hay pocos organismos, son muy ricas en nutrientes. En la superficie, con la energía solar, se forma una gran cantidad de fitoplancton capaz de mantener una comunidad animal muy numerosa como peces y aves que se alimentan de ellos. Este es el origen de algunos de los caladeros mar importantes para la pesca como son el de Perú, costas de Sahara y costas de Kalahari en África y en España Galicia (corriente del Golfo).

Un fenómeno relacionado con las corrientes superficiales es el denominado fenómeno del Niño. De forma intermitente pero periódica (cada 4 años aproximadamente) y en la estación invernal, los vientos alisios amainan, no se produce el desplazamiento de aguas profundas hacia la superficie y el agua superficial se calienta formándose borrascas sobre la zona (costa de Perú), habitualmente árida, que provocan precipitaciones torrenciales.

Con menor frecuencia puede ocurrir lo contrario, que descienda la temperatura, dando paso a La Niña”.

Durante el Niño, la termoclina está más cerca de la superficie en el E Durante el Niño, la termoclina está más cerca de la superficie en el E. En Australia e Indonesia hay sequía.

Durante la Niña, la termoclina está muy cerca de la superficie en el E Durante la Niña, la termoclina está muy cerca de la superficie en el E. En Australia e Indonesia hay precipitaciones.

AGUAS SUBTERRÁNEAS El agua de las precipitaciones que cae sobre los continentes puede seguir dos caminos fundamentalmente: infiltración (pasa al suelo) o escorrentía (fluye por la superficie). La cantidad de agua que se infiltra depende: a) Del tipo de precipitaciones :mucha cantidad de agua caída en muy poco tiempo se infiltra peor que la misma cantidad de agua distribuida a lo largo de un periodo de tiempo mayor. b) Del tipo de suelo o de roca :cuanto mas permeable mayor infiltración c) De la vegetación mas vegetación, mas infiltración y menos escorrentía

Para que el agua pueda penetrar en las rocas y circular por ellas se necesita que estas sean porosas o están fisuradas. Porosidad es el tanto por ciento de poros dentro del volumen total de roca. Para que una roca transmita agua hace falta, por lo tanto, que tenga una alta porosidad o que esté muy fisurada (porosidad secundaria) pero también, sobre todo que sus poros están conectados (porosidad eficaz).

Se define permeabilidad de un material como la propiedad de dejar pasar fluidos a su través. Lógicamente porosidad eficaz y permeabilidad están muy relacionadas; pero mientras que la permeabilidad tiene las dimensiones de una velocidad, la porosidad eficaz es un coeficiente sin dimensiones, igual al volumen de poros conectados partido por el volumen de roca.

El agua que se infiltra desciende por gravedad a través de los poros hasta que llega a una zona donde no existen poros porque la roca es impermeable, o esta demasiado compactada, o bien todos los poros están llenos de agua formando así lo que conocemos como un Acuífero. Un acuífero es una capa rocosa subterránea porosa y permeable que permite el desplazamiento del agua y su almacenamiento

Flujo de agua superficial y subterránea Diferentes zonas (aireación, saturación y estancamiento) en el subsuelo. La escorrentía subterránea alimenta a la superficial y no al revés.

Así se mueve el agua subterránea El agua de precipitación puede evaporarse, evapotranspirarse (plantas), escurrir superficialmente o infiltrarse en el suelo. En este último caso, si tras infiltrarse alcanza la zona de saturación, en condiciones naturales, el agua subterránea se desplaza desde aquellos puntos en los que el nivel freático está más alto hacia aquellos en los que está más bajo. Sin embargo, no lo hace siguiendo una línea recta, sino con cierta concavidad.

En un acuífero se puede distinguir aquella zona que tiene todos sus poros llenos de agua (zona de saturación) y la que se encuentra por encima de ella con algunos poros llenos de aire (zona de aireación). El límite superior de la zona de saturación es el nivel freático y, como es lógico, -fluctuara en la vertical a lo largo del tiempo según el volumen de precipitaciones o, en general de las entradas y salidas de agua. En casos límite el nivel freático puede estar muy próximo o cerca de la superficie provocando áreas encharcadas o salidas de manantiales. De hecho, todas las superficies de agua en los continentes son zonas en las que el nivel-freático esta a nivel de la superficie topográfica (ciénagas) o por encima de ella (ríos, lagos).

Así se mueve el agua subterránea al bombear agua de un pozo Al instalar un pozo, en principio no sucede que perturbe el movimiento del agua subterránea. Esto sólo ocurre cuando decidimos bombear agua de ese pozo, puesto que al vaciarlo parcialmente, hacemos que el nivel freático dentro del mismo descienda, provocando un cono de depresión porque tiende a rellenarse con el agua subterránea presente en el entorno del pozo (el flujo del agua subterránea ha cambiado).

Tipos de acuíferos

a) Acuífero libre: cuando el terreno que lo separa de la atmósfera es permeable y por tanto el agua en la superficie freática se halla a presión atmosférica y puede. recargar agua por cualquier parte.

b) Acuífero cautivo o confinado: es aquel que se encuentra entre dos capas impermeables y su agua esta a mayor presión que la atmosférica. Solo pueden recibir agua en las áreas de recarga que son zonas en que la capa permeable aflora en la superficie. Si se rompe el confinamiento perforando un pozo, el agua subirá hasta igualar la presión atmosférica dando lugar a los pozos artesianos

c) Acuífero colgado: es aquél que se encuentra desconectado del nivel freático regional. La cantidad de agua contenida en acuíferos es enorme, sin embargo se renueva muy lentamente. Algunos se localizan a gran profundidad y acumularon su agua hace milenios en climas más húmedos que el actual, considerándose un recurso no renovable a escala del tiempo humano (acuíferos fósiles).

Balance hídrico de una cuenca hidrográfica El estado inicial (en el instante t) de la cuenca o parte de ésta puede definirse como la disponibilidad actual de agua en las varias posiciones que esta puede asumir, como por ejemplo: volumen de agua circulando en los ríos, arroyos y canales; volumen de agua almacenado en lagos, naturales y artificiales; en pantanos; humedad del suelo; agua contenida en los tejidos de los seres vivos; todo lo cual puede definirse también como la disponibilidad hídrica de la cuenca.

Precipitaciones: lluvia, nieve, granizo, condensaciones. Las entradas de agua a la cuenca hidrográfica puede darse de las siguientes formas: Precipitaciones: lluvia, nieve, granizo, condensaciones. Aporte de aguas subterráneas desde cuencas hidrográficas colindantes. Trasvase de agua desde otras cuencas. Estas pueden estar asociadas a: Descargas de centrales hidroeléctricas cuya captación se sitúa en otra cuenca, esta situación es frecuente en zonas con varios valles paralelos, donde se construyen presas. Descarga de aguas de ciudades.

Las salidas de agua pueden darse de las siguientes formas: Evapotranspiración: de bosques y áreas cultivadas con o sin riego. Evaporación desde superficies líquidas, como lagos, estanques, pantanos, etc. Infiltraciones profundas que van a alimentar acuíferos. Derivaciones hacia otras cuencas hidrográficas y para consumo humano y en la industria. Salida de la cuenca, hacia un receptor o hacia el mar.

Balance hídrico P= ETR+ ES+AH+AS+ CS P: precipitaciones ES: escorrentía superficial AH: cambios de humedad en el suelo AS: cambios en el almacenamiento de agua subterránea CS: corrientes subterráneas

La evapotranspiración es la pérdida de agua por evaporación desde el suelo y transpiración de las plantas. Hay que distinguir entre ETP (evapotranspiración potencial) y ETR ( evapotranspiración real). La ETR es siempre menor o igual que la ETP.

Régimen y perfil de un río La distribución del caudal a lo largo de un año nos indica el tipo del régimen del río. Se representa en los Hidrogramas. Caudal ecológico: es el volumen de agua por unidad de tiempo necesario en un curso fluvial para garantizar la supervivencia del sistema ecológico que contiene. Su cálculo es importante en la proyección de las presas.