Ciclo hidrolóxico

O ciclo hidrolóxico ou ciclo da auga é un ciclo bioxeoquímico que describe o movemento continuo da auga tanto na superficie terrestre coma por riba e baixo dela. A masa da auga na Terra permanece bastante constante ao longo do tempo mais a cantidade presente nos maiores reservorios de xeo, auga doce, auga salgada e auga atmosférica é variable dependendo dun amplo rango de variables climáticas. A auga móvese dun reservorio a outro, coma dos ríos aos océanos, ou destes á atmosfera, mediante os procesos físicos da evaporación, condensación, precipitación, infiltración, escorras e fluxo subterráneo. Nestes procesos a auga pasa por diferentes estados: líquido, sólido (xeo) e vapor.
O ciclo da auga implica o intercambio de enerxía, que produce cambios de temperatura. Cando a auga se evapora, toma enerxía do seu arredor e arrefría o ambiente. Cando se condensa, libera enerxía e quenta o ambiente. Estes intercambios de calor inflúen no clima
A fase de evaporación do ciclo purifica a auga que despois enche a terra con auga doce. O fluxo de auga líquida e xeo transporta minerais a través do globo terrestre. Tamén participa na remodelación das características xeolóxicas da Terra a través de procesos coma a erosión e a sedimentación. O ciclo hidrolóxico é tamén esencial para o mantemento da maioría dos ecosistemas do planeta.
A auga é constantemente absorbida pola atmosfera en forma de vapor. Procede de océanos, lagos, ríos e a transpiración dos seres vivos, principalmente dos vexetais. O vapor, ao arrefriarse, condénsase e conxélase, e cae en forma de choiva, xeo, sarabia ou neve. A meirande parte das precipitacións caen sobre o mar, pero unha cuarta parte cae sobre a terra, evaporándose a metade das mesmas pouco despois de caer. O resto volve de novo aos océanos, comezando así, novamente, o ciclo. Historia da teoría do ciclo hidrolóxico
A teoría da masa de terra flotante
Na antigüidade estaba amplamente aceptado que a masa terrestre flotaba sobre un corpo de auga e que a maior parte da auga dos ríos tiña a súa orixe baixo a terra. Exemplos desta crenza pódense encontrar na obras de Homero (arredor de 800 a. C. ). Na Biblia
No oriente próximo, os antigos hebreos observaban que, a pesar de ir ao mar a auga dos ríos, aquel nunca se enchía. Algúns estudosos conclúen que o ciclo hidrolóxico foi descrito completamente naquel tempo na seguinte pasaxe do Eclesiastés: "O vento vai cara o sur, xira ao norte, vai sempre dando voltas e retorna aos seus circuítos. Os ríos van todos ao mar, e o mar non se enche; alá de onde viñeron tornan de novo, para volver a fluír" (Eclesiastés 1: 6-7). Os estudosos non se poñen de acordo na datación do Eclesiastés, aínda que moitos deles apuntan a que foi escrito hai tres mil anos, no tempo do rei Salomón, fillo de David e Batxeba, pois hai certo consenso en que o período do reinado de Salomón foi entre 962 e 922 a. C. Tamén se observa que "a nube preñada de chuvia derramará sobre a terra" (Eclesiastés 11: 3). Ademais, un profeta hebreo, Amós, que viviu no século VIII a. C. , afirmou que "El. .. chama ás augas do mar e as derrama sobre a face da terra" (Amós 5: 8). Finalmente, no Libro de Xob, datado entre a sétima e segunda centurias antes de Cristo, hai unha descrición da precipitación no ciclo hidrolóxico: "El fai subir as gotas de auga e descender en chuvia os seus vapores. Destilan as nubes e chove sobre o home en abundancia" (Xob 36: 27-28). Precipitación e percolación
No Rāmāyaṇa, unha epopea hindú datada cara ao século IV a. C. , encóntrase o himno devocional Ādityahṛdayam, dedicado ao deus Sol. No verso vixésimo segundo menciónase que o Sol quenta a auga e faina caer coma chuvia. Sobre o ano 500 a. C. , os estudosos gregos especulaban que moita da auga que levan os ríos pode atribuírse á chuvia; tamén coñecían a orixe da chuvia. Porén mantiñan a crenza de que a auga que emerxía á terra contribuía en gran medida aos ríos. Exemplos deste pensamento son Anaximandro (570 a. C. ) (quen tamén especulou acerca da evolución dos animais terrestres desde os peixes) e Xenófanes (530 a. C. ). Os estudosos chineses coma Chi Ni Tzu (320 a. C. ) e Lu Shih Ch'un Ch'iu (239 a. C. ) tiñan ideas similares. A idea de que o ciclo hidrolóxico é pechado pode acharse nos traballos de Anaxágoras (460 a. C. ) e Dióxenes de Apolonia (460 a. C. ). Tanto Platón coma Aristóteles pensaron na percolación como parte do ciclo da auga. Só precipitación
Polo tempo do Renacemento críase que as precipitacións eran insuficientes para alimentar aos ríos, e que, para que houbera un ciclo da auga completo, as augas subterráneas que emerxían empuxadas polos océanos tiñan que ser as principais contribuidoras dos ríos. Bertomeu de Inglaterra sostivo esta opinión en 1240, así como Leonardo da Vinci en 1500 e Athanasius Kircher en 1644.
A afirmación de que a auga da chuvia era suficiente para o mantemento dos ríos foi publicada por primeira vez por Bernard Palissy en 1580, a quen se lle asigna frecuentemente o "descubrimento" da moderna teoría do ciclo hidrolóxico. As teorías de Palissy non foron comprobadas cientificamente ata 1674, nun estudo comunmente atribuído a Pierre Perrault. Porén, estas teorías non foron aceptadas pola ciencia dominante ata comezos do século XIX. Descrición
O sol, que impulsa o ciclo da auga, quenta a auga do océano e dos mares. A auga evapórase no aire coma vapor de auga. Algún xeo e neve sublímanse directamente en vapor de auga. A evapotranspiración é a auga que transpira das plantas e se evapora do solo. A molécula de auga H2O ten unha masa molecular menor cá dos principais compoñentes da atmosfera, nitróxeno (N2) e osíxeno (O2), e, xa que logo, é menos densa. Debido á diferenza significativa de densidade, a flotabilidade provoca o ascenso do aire húmido. A medida que aumenta a altitude, a presión do aire diminúe e a temperatura baixa (véxase a lei dos gases). A temperatura máis baixa fai que o vapor de auga se condense en minúsculas gotas de auga líquida que son máis pesadas que o aire, e que caen a non ser que sexan soportadas por unha corrente ascendente. Unha gran concentración destas gotas nunha grande área da atmosfera faise visible coma nube, mentres que a condensación preto do nivel do chan denomínase néboa.
A circulación atmosférica move o vapor de auga arredor do globo; as partículas das nubes chocan, medran e caen das capas atmosféricas superiores como precipitación. Algunhas precipitacións caen como neve, sarabia ou auganeve, e poden acumularse en campos de xeo e glaciares, capaces de almacenar auga conxelada durante miles de anos. A maior parte da auga cae como choiva ao océano ou á terra, onde a auga flúe sobre o chan como escorras. Unha parte destas escorras vai aos ríos, cuxo caudal move a auga cara aos océanos. As escorras e a auga que emerxe do chan (augas subterráneas) poden almacenarse como auga doce nos lagos. Non todas as escorras desembocan nos ríos; gran parte delas enchoupan no chan como infiltración. Algunhas augas infíltranse profundamente no chan e repoñen os acuíferos, que poden almacenar auga doce durante longos períodos de tempo. Pola contra, outras infiltracións permanecen preto da superficie terrestre e poden filtrarse de novo nas augas superficiais (e no océano) como descarga de augas subterráneas. Algunhas augas subterráneas atopan ocos na superficie terrestre e emerxen como mananciais de auga doce. Nos vales fluviais e chairas de inundación, hai a miúdo un intercambio continuo de auga entre as augas superficiais e as subterráneas na zona hiporeica. Co paso do tempo, a auga volve ao océano para continuar o ciclo da auga.
Reciclaxe das augas subterráneas
O ciclo das augas subterráneas, tamén chamado ciclo xeolóxico da auga, é o intercambio de auga co manto terrestre que ocorre nas zonas de subdución e a través da actividade volcánica. Distínguese do ciclo hidrolóxico que ten lugar por riba e sobre a superficie terrestre.
O proceso de reciclaxe das augas subterráneas implica que a auga que entra no manto ao ser arrastrada pola subdución das placas oceánicas (un proceso coñecido como regasificación), é equilibrada pola auga liberada nas dorsais centrais dos océanos (desgasificación). Este é un concepto fundamental para entender o proceso de intercambio de auga a longo prazo entre o interior terrestre e a exosfera, e o transporte de auga con minerais hidratados.
Propúxose que un desequilibrio na reciclaxe das augas subterráneas sería un mecanismo que podería afectar ao nivel global do mar.
Procesos
Os seguintes procesos interveñen no ciclo da auga: Precipitación É o vapor de auga condensado que cae na superficie terrestre. A maioría das precipitacións ocorren en forma de chuvia, pero tamén poden manifestarse como neve, sarabia, goteo de néboa, neve granulada ou grans de xeo. A cantidade global anual de auga que cae nas precipitacións é aproximadamente de 505000 km3, do cales 398000 km3 caen nos océanos, isto é, case o 80% do total. Dos 107000 km3 de precipitacións que caen en terra firme, só 1000 km3 son en forma de neve. Subdución e hidratación mineral A auga do mar fíltrase na litosfera oceánica a través de fracturas e poros, e reacciona cos minerais da codia e do manto para formar minerais hidratados (como a serpentina) que almacenan auga nas súas estruturas cristalinas. A auga transpórtase ao manto profundo a través de minerais hidratados en placas de subdución. Durante a subdución, unha serie de minerais destas placas, como a serpentina, poden permanecer estables a diferentes presións dentro das xeotermas da placa, e poden transportar unha cantidade significativa de auga ao interior da Terra. A medida que as placas se afunden e quentan, os fluídos liberados poden provocar sismicidade e inducir a fusión dentro da placa subducida e na cuña superior do manto. Este tipo de fusión concentra selectivamente os volátiles e transpórtaos á placa superior. Se se produce unha erupción, o ciclo devolve os volátiles aos océanos e á atmosfera. Interceptación A precipitación que é interceptada pola follaxe das plantas finalmente evapórase á atmosfera no canto de caer ao chan. Neve derretida Escorrentía producida polo derretemento da neve. Escorras A variedade de formas polas que a auga se move pola terra. Isto inclúe tanto as escorras superficiais como as canalizadas. A medida que flúe, a auga pode filtrarse no chan, evaporarse no aire, almacenarse en lagos ou encoros, ou extraerse para usos agrícolas ou outros usos humanos. Infiltración O fluxo de auga desde a superficie do chan cara ao interior do chan. Unha vez infiltrada, a auga convértese en humidade do solo ou auga subterránea. Porén, un recente estudo global que utilizou isótopos estables da auga, mostra que non toda a humidade do solo está igualmente dispoñible para a recarga das augas subterráneas ou para a transpiración das plantas. Fluxo subterráneo É o fluxo da auga subterránea na zona de aireación e nos acuíferos. A auga subterránea pode volver á superficie (por exemplo, como manancial ou bombeada) ou finalmente filtrarse nos océanos. A auga volve á superficie terrestre a unha altitude inferior á de onde se infiltrou, baixo a forza da gravidade ou polas presións inducidas pola gravidade. As augas subterráneas tenden a moverse e repoñerse lentamente, polo que poden permanecer nos acuíferos durante miles de anos. Evaporación A transformación da auga do estado líquido ao estado gasoso ocorre mentres se move desde o chan ou as masas de auga, ata a atmosfera que as cobre. A fonte principal de enerxía para que se desenvolva a evaporación é a radiación solar. A evaporación adoita incluír implicitamente a transpiración das plantass, aínda que este tipo de evaporación recibe o nome específico de evapotranspiración. A evapotranspiración total anual ascende a aproximadamente 505000 km3 de auga, dos cales 434000 km3 se evaporan dos océanos. O 86% da evaporación global ocorre nos océanos. Sublimación É o cambio directo do estado sólido (neve ou xeo) ao estado gasoso, sen pasar polo estado líquido. Deposición Tamén coñecida como sublimación inversa, é dicir, é o paso directo de vapor de auga a xeo, sen pasar polo estado líquido. Advección Refírese ao movemento de auga a través da atmosfera. Sen advección, a auga dos océanos que se evapora non podería precipitar sobre a terra. Condensación É a transformación no aire do vapor de auga en gotas de auga líquida, creando nubes e néboa. Transpiración É a emisión ao aire do vapor de auga liberado polas plantas e o solo. Percolación Denomínase así ao proceso polo cal a auga flúe verticalmente polo chan e as rochas baixo a influencia da gravidade. Vulcanismo A auga entra no manto por subdución da codia oceánica e volve á superficie a través do vulcanismo. Tempos de residencia
O tempo de residencia nun reservorio dentro do ciclo hidrolóxico é o tempo medio que unha molécula de auga pode estar nese reservorio (véxase a táboa anexa). É unha medida do tempo medio que permanece a auga nun reservorio.
A auga subterránea pode permanecer sobre 10000 anos baixo a superficie terrestre antes de emerxer. En particular, esta auga vella recibe o nome de auga fósil. A auga almacenada no solo permanece nel moi brevemente porque se espalla finamente por toda a terra, e pérdese rapidamente por evaporación, transpiración, fluxo de caudal, ou recarga da auga subterránea. Despois da evaporación, o tempo de residencia na atmosfera é de aproximadamente nove días antes de condensarse e caer como precipitación.
A maiores placas de xeo - Antártida e Groenlandia - almacenan xeo durante períodos de tempo moi longos. O xeo da Antártida foi datado de forma fiable en 800000 anos antes do presente, aínda que o tempo de residencia é máis curto.
En hidroloxía, os tempos de residencia pódense estimar de dúas maneiras. O método máis común baséase no principio de conservación da masa (balance hídrico) e asume que a cantidade de auga presente nun certo reservorio mantense aproximadamente constante. Con este método, os tempos de residencia estímanse dividindo o volume do reservorio entre a taxa coa que a auga entra ou sae do reservorio. Conceptualmente, isto é equivalente a calcular o tempo que tardaría o depósito en encherse supoñendo que estivera baleiro e non saíse auga del (ou o tempo que tardaría en baleirarse suposto cheo e que non entrase auga nel).
Un método alternativo para estimar os tempos de residencia, que está gañando popularidade para datar augas subterráneas, é o uso de técnicas isotópicas. Isto faise no subcampo da hidroloxía isotópica.