Tema 4: La dinámica de la hidrosfera
1. La hidrosfera
La hidrosfera es un subsistema dentro del sistema Tierra que está constituido por el conjunto del agua en cualquiera de sus tres estados físicos:líquido, lo cual incluye las aguas subterráneas, mares, océanos, lagos y otras masas de agua superficial; sólido, como los glaciares alpinos, casquetes polares y masas de hielo flotantes en el mar; y gaseoso, formando parte de la atmósfera y que forma nubes y nieblas al condensarse.
2. Estructura y propiedades del agua
La molécula de agua (H2O) está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, dispuestos en forma de «V».La molécula en conjunto es neutra, pero los electrones de enlace se disponen de manera asimétrica, siendo la zona próxima al oxígeno negativa, y la zona cercana a los hidrógenos, positiva.
La estructura de sus moléculas hace que el agua tenga una serie de propiedades carácterísticas:
•
Elevado calor específico
El agua posee (por definición) un calor específico elevado , superior al de muchas otras substancias, por lo que puede absorber mucho calor sin variar su temperatura.
Tiene importancia en los seres vivos, compuestos en su mayor parte de agua, ya que les permite mantener constante su temperatura, y en segundo lugar en las regiones costeras, ya que las grandes masas de agua absorben el calor en verano y lo liberan en invierno, suavizando los cambios de temperatura.
•
Elevado calor latente
El calor latente es la energía que se absorbe o desprende al realizar un cambio de estado
Permite a los seres vivos refrescarse mediante la evapotranspiración y la causa de que la temperatura aumente cuando comienza a nevar.
•
Alta tensión superficial
La elevada cohesión entre las moléculas hacen que su superficie se comporte como si de una delgada película se tratase. Este fenómeno está relacionado con la capilaridad, que consiste en que gracias a las fuerzas intermoleculares adhesivas entre un líquido y un sólido este asciende por un tubo capilar en contra de la fuerza de la gravedad, y que los materiales porosos tiendan a absorber los líquidos.
Estas propiedades permiten el transporte de savia a través del xilema de las plantas
•
Densidad máxima a 4ºC
Generalmente una sustancia aumenta su densidad al disminuir su temperatura. En el caso del agua también se produce este aumento de densidad, alcanzando un máximo de densidad de 1kg/l cuando se llega a una temperatura alrededor de los 4 oC. Desde esa temperatura hasta los 0 oC la densidad disminuye (aunque muy poco) y al pasar al estado sólido, la densidad disminuye de forma brusca hasta 0,917 kg/l (una densidad menor a la del agua líquida a cualquier temperatura).
Esta peculiaridad del agua permite que el hielo flote, en lugar de hundirse y acumularse en el frío fondo marino, sirviendo de aislante térmico a los ecosistemas acuáticos que quedan bajo él.
• Disolvente (casi) universal
El carácter polar de la molécula de agua la convierte en un buen disolvente de sustancias iónicas y polares, aunque no disuelve bien las substancias fuertemente apolares.
Gracias a esta carácterística pueden producirse en disolución acuosa las reacciones químicas del metabolismo
3. Carácterísticas de las aguas oceánicas y continentales
Podemos caracterizar las aguas con los siguientes parámetros:
•
Salinidad
. Cantidad de sales disueltas en el agua, generalmente provenientes del lecho de los ríos o
El fondo oceánico
Las más frecuentes son el bicarbonato de calcio y sal común
Las aguas oceánicas suelen tener una mayor cantidad de sales disueltas, mientras que en las continentales estas suelen estar más determinadas por la naturaleza de los terrenos que ha atravesado el agua.
•
Acidez
. El agua oceánica y continental suele tener cierto grado de acidez que le confiere el CO2
Atmosférico que lleva disuelto y que se convierte en H2CO3 (ácido carbónico)
•
Temperatura
. Los mares y lagos suelen tener una cierta heterogeneidad de temperaturas en la zona superficial y una mayor homogeneidad en las aguas profundas. En general, la temperatura desciende con la profundidad, y podemos encontrar tres capas: el epilimnion, es la zona más superficial, cálida y con variaciones de temperatura relacionadas con la temperatura atmosférica; la termoclina o mesolimnion es una zona intermedia en la que se produce un brusco descenso de temperatura que impide la circulación vertical del agua, y el hipolimnion es la zona profunda con temperaturas frías y pocas variaciones.
•
Densidad
. La densidad depende de la temperatura del agua, pero también de su contenido en sales y sustancias en suspensión. Algunos movimientos de las aguas oceánicas se deben a diferencias de
Densidad entre masas de agua
•
Iluminación
. La iluminación dependerá por un lado de la intensidad y ángulo de los rayos solares, y or otro de la transparencia del agua. La radiación ultravioleta e infrarroja es absorbida antes de que
Llegue a mucha profundidad, mientras que la luz visible llega a una profundidad mayor
• Gases disueltos
El oxígeno disuelto en el agua puede proceder de la atmósfera (aumenta con la
agitación del agua) o de los organismos acuáticos fotosintéticos, y su solubilidad disminuye al aumentar la temperatura.
4. El ciclo hidrológico
El ciclo hidrológico consiste en el continuo movimiento y cambio de estado físico que experimenta el agua. De este modo, la misma molécula de agua puede estar en estado sólido, líquido y gaseoso.
Este ciclo consta de dos fases:
•
El ciclo externo
El ciclo comienza con la evaporación y evapotranspiración gracias a la energía del sol. La atmósfera transporta el vapor de agua hasta que finalmente precipita en forma de lluvia, nieve o granizo.
El agua depositada sobre la superficie terrestre puede desplazarse mediante lo que se conoce como escorrentía superficial, formando torrentes, ríos y lagos, o bien infiltrarse y desplazarse como escorrentía subterránea, formando acuíferos.
El agua de la escorrentía puede ser captada por los seres vivos o, en caso contrario seguirá su viaje hacia el mar. En cualquier caso (formando parte de la biosfera, de la escorrentía o tras llegar al mar) la evaporación o evapotranspiración devolverá el agua a la atmósfera y cerrará el ciclo.
• El ciclo interno
. El ciclo comienza con la formación de agua en el interior de la Tierra mediante reacciones químicas. Esta agua sale a la superficie a través de erupciones volcánicas, de las dorsales o de facturas profundas en la superficie terrestre y se incorpora al ciclo externo. El ciclo se cierra cuando el agua de los océanos se introduce al interior de la Tierra a través de las zonas de subducción.
El ciclo hidrológico es muy importante ya que realiza las siguientes funciones:
• Regula la temperatura de la superficie del planeta
• Es un medio de transporte de materia y energía
• Provoca la erosión y el transporte de sedimentos, modelando el paisaje
• Permite la llegada de agua a los continentes de forma periódica
5. Dinámica de las aguas oceánicas
5.1. Las olas
En la superficie de los mares o de grandes lagos, el viento provoca un movimiento ondulatorio debido al rozamiento sobre la superficie del agua. Las partículas de agua realizan un movimiento circular con un pequeño desplazamiento en la dirección del viento (movimiento cicloidal).
Al aumentar la profundidad, el movimiento de las olas se atenúa rápidamente, por lo que las olas solo tienen influencia en los fondos marinos poco profundos. El nivel más profundo en el que se percibe el movimiento
De las olas se llama nivel de base
Si el fondo marino se encuentra por encima del nivel de base, el movimiento circular rozará con el fondo y
se transformará en elíptico. Al verse frenado el seno de la ola, avanza más despacio que la cresta, y la ola se desploma y rompe, cambiando el movimiento circular por otro de vaivén que incide sobre la costa.
Tsunami
: se producen por movimientos sísmicos o erupciones de volcanes submarinos
5.2. Las corrientes marinas
Las corrientes marinas son movimientos de masas de agua con diferentes carácterísticas (temperatura, salinidad o densidad) respecto al agua que las rodea. Estos movimientos son impulsados por los vientos, las
Diferencias de densidad y temperatura, y la rotación de la Tierra
Estos movimientos son iniciados por los vientos alisios, que soplan hacia el oeste. Estas corrientes, al retornar hacia el este, se dividen en dos, de manera que una corriente se dirigirá hacia latitudes altas aportando calor y suavizando el clima (como la corriente del Golfo), y otra se dirigirá hacia zonas tropicales refrescándose (como la corriente de Canarias).
Cerca del ecuador se forma una contracorriente ecuatorial, que circula hacia el este. Otras corrientes importantes son las que provienen del polo norte ( Labrador y la de Kamchatka) y la corriente circumpolar Antártica, que rodea sus costas en sentido horario.
El principal efecto de estas corrientes es el modelado de las costas, ya que forman cordones litorales y cierran bahías (pudiendo formarse albuferas). También resultan un eficaz sistema de distribución del calor,
Regulando el clima de las zonas costeras
Las corrientes y vientos del mar hacen que las costas occidentales de las latitudes medias y las costas orientales de las zonas ecuatoriales sean más lluviosas.
Sobre el océano pacífico se produce el fenómeno normal (conocido como La Niña) o una situación anómala que se repite aproximadamente cada cuatro años y que se conoce como El Niño.
El fenómeno de La Niña consiste en la presencia de anticiclones en la costa de Sudamérica y borrascas sobre Oceanía e Indonesia. Los vientos alisios circulan hacia el oeste por encima del océano, donde
descargan la humedad que transportan. En el interior del océano, la corriente de Humboldt o corriente del Perú provoca la subida de las aguas frías profundas, que arrastran nutrientes y aumentan la riqueza piscícola.
El Niño se produce cuando las borrascas se sitúan sobre Sudamérica, y los anticiclones sobre Oceanía e Indonesia. Al darse esta situación los vientos alisios circulan en sentido contrario al habitual, de manera que
se producen inundaciones en Sudamérica y períodos de sequía en Oceanía e Indonesia. La corriente de Humboldt o corriente de Perú no llega hasta la costa pacífica de Sudamérica, con lo que no se produce el enriquecimiento de nutrientes y desaparecen o se reducen los bancos de peces.
Las corrientes profundas se producen en latitudes altas debido a las diferencias de temperatura y salinidad (por esto se llaman termohalinas). La masa de agua con mayor densidad desciende y se desplaza horizontalmente por debajo de la termoclina (antes la hemos llamado mesolimnion).
En ocasiones corrientes profundas continúan su camino como corrientes superficiales, formando un circuito convectivo.
Los lugares en los cuales las aguas profundas ascienden se llaman afloramientos o upwelling, y son lugares donde se produce un enriquecimiento de nutrientes y un aumento del fitoplancton, los bancos de peces y poblaciones de aves, que enriquecen las costas con guano.
5.3. Las mareas
Las mareas son movimientos de subida y bajada del nivel del mar que se producen de manera periódica. Sus causas son la atracción gravitatoria de la Luna y (en menor medida) de la del Sol.
En un período de 24 horas, un punto de la Tierra pasa por las siguientes situaciones:
•
Pleamar alta o proximal
cuando se encuentra en la zona d e la Tierra más próxima a la Luna y bajo la influencia de su gravedad. En este momento el nivel del mar es el más elevado.
•
Bajamar, cuando baja la marea, siendo el nivel mínimo cuando se encuentra situado exactamente a 90o del eje del sistema Tierra-Luna.
• Pleamar baja o distal
Segunda marea alta del día, aunque algo menor que la anterior al encontrarse en el punto más alejado de la Luna. Se produce principalmente por la fuerza centrífuga debida a la rotación sobre su centro de masas del sistema Tierra-Luna.
• Segunda bajamar del día
Las mareas vivas se producen cuando el Sol, la Tierra y la Luna se encuentran alineadas, es decir, durante las fases de Luna nueva y Luna llena, ya que a la atracción gravitatoria de la Luna se suma la del Sol.
En cambio las mareas muertas se producen durante las fases de Luna creciente y Luna menguante, cuando el
Sol, la Tierra y la Luna forman un ángulo recto
Las mareas provocan corrientes de flujo (del mar hacia la tierra) y de reflujo o resaca (de la tierra hacia el mar), la zona sometida a la acción de las olas se amplía, se redistribuyen las arenas profundas y se crea una
zona de ribera que es alternativamente un ambiente acuático o aéreo. Las mareas pueden utilizarse como fuente de energía mediante molinos o centrales mareomotrices, aunque se producen entonces efectos como
Los cambios de salinidad en el estuario y alteración de este ecosistema
6. Dinámica de las aguas continentales
Las aguas continentales realizan las siguientes acciones geológicas:
•
Erosión
. Desgastando los materiales con los que entra en contacto
•
Transporte
. Los materiales suelen ser trasladados a favor de la fuerza de la gravedad. En función de su tamaño, forma y la energía de la corriente, los materiales pueden ser transportados disueltos, flotando, suspendidos y saltando o rodando sobre el lecho.
•
Sedimentación
. Rellenando valles, embalses, lagos y humedales, y formando playas y deltas
6.1. Ríos
Los ríos son corrientes permanentes de aguas superficiales, que son alimentadas por surgencia de aguas subterráneas, la fusión de los glaciares, el flujo de suelos saturados de agua o se forman por la reuníón de corrientes intermitentes de agua, como la escorrentía superficial, torrentes y arroyos.
Los ríos suelen acabar en el mar, pero también pueden acabar en lagos o cuencas
Los ríos se relacionan con los acuíferos pidiéndoles agua (río influente), o recibiendo de ellos (río fluente).
Los suelos suelen absorber y retener el agua de lluvia, de manera que regulan el caudal de los ríos o puede ser regulado de forma artificial, mediante presas que controlan las avenidas, almacenan reservas de agua y generan energía eléctrica, aunque con el inconveniente de modificar el sistema fluvial.
Una cuenca hidrográfica es el territorio que recoge el agua de las precipitaciones que se irá encauzando en forma de torrentes y arroyos que actuarán como red de drenaje y que finalmente formará un río. Estas
cuencas hidrográficas están separadas de las limítrofes por una línea que une los puntos de mayor altitud, llamada línea divisoria de las aguas.
El cauce o lecho de un río, es el canal por el cual discurre. La pendiente a lo largo de su trayectoria es el perfil longitudinal, mientras que la sección transversal recibe el nombre de perfil transversal. Este perfil
Transversal suele tener aproximadamente forma de «V», más abierta según avanzamos por el río
La erosión y la sedimentación van modificando el perfil longitudinal de los ríos, tendiendo a llegar a un perfil ideal, llamado perfil longitudinal de equilibrio, en el cual no existiría erosión ni sedimentación. Esta
Situación nunca se alcanza, ya que los factores implicados sufren cambios a lo largo del tiempo
La energía de un río depende de los siguientes factores:
•
La velocidad, que depende de la pendiente y de la zona del río, ya que, por ejemplo, el roce con el lecho produce una disminución de velocidad, y en una curva el agua de la parte externa circula más deprisa que la de la parte interna.
•
El caudal, que está relacionado con la amplitud de la cuenca y las aportaciones de agua que reciba.
•
La viscosidad, que depende de la cantidad de partículas que se encuentren en suspensión en el agua.
En un punto determinado, un río puede producir erosión, sedimentación o simplemente transporte de unos determinados materiales, en función de la velocidad de su corriente y del tamaño de las partículas.
El tiempo de respuesta de un río es el tiempo que transcurre entre el momento en el que se han recogido la mitad de las precipitaciones y el de máximo caudal en un punto del río. Conocer cómo responde un río al aporte de aguas pluviales o al deshielo puede permitirnos predecir su comportamiento y prevenir catástrofes.
Este tiempo de respuesta puede depender de la vegetación existente en la cuenca, del tipo, permeabilidad y nivel de desarrollo de los suelos.
Los ríos son sistemas complejos
Es importante insistir en que los ríos son sistemas complejos, con múltiples interrelaciones y cuya modificación puede afectar gravemente el entorno.
La cantidad y velocidad del agua determinará dónde y sobre qué partículas se producirán los fenómenos de erosión transporte y sedimentación, por lo que cualquier modificación altera estos procesos.
La vegetación de los alrededores del río es importante en la regulación del caudal, ya que retiene el agua de lluvia y hace más poroso el suelo por lo que, sin ella, disminuirá la infiltración y aumenta la escorrentía.
Los sedimentos que el río arrastra hasta el mar son muchas veces los responsables de la formación de playas,
Mientras que los que se depositan cerca de la desembocadura forman deltas y tierras útiles para el cultivo
Incluso la temperatura del agua es importante, ya que el aumento de esta reduce la solubilidad del oxígeno y aumenta la de los metales pesados afectando a los animales que viven en ella.
En resumen: los ríos distan mucho de ser simples, y se encuentran íntimamente ligados a otros sistemas por lo que antes de realizar cualquier modificación deben estudiarse seriamente las posibles consecuencias.
6.2. Lagos y humedales
Los lagos son acumulaciones de agua en pequeñas depresiones o cuencas dentro del continente
La depresión en la cual se encuentra el lago puede tener diferentes orígenes: puede ser tectónico, ser la cubeta bajo un circo glaciar derretido, deberse al hundimiento del terreno (en ocasiones por disolución kárstica), o ser un antiguo cráter volcánico.
Los lagos profundos de regiones cálidas tienen una dinámica que se repite de manera estacional:
• En verano observamos una estratificación típica, con un epilimnion a mayor temperatura, con lo que el fitoplancton desaparece y se empobrece en nutrientes. Por debajo de la termoclina, el hipolimnion es denso y frío, y la descomposición de la materia orgánica hace que sea pobre en oxígeno pero rico en nutrientes.
• En otoño el epilimnion se enfría, con lo que desaparece la termoclina y las aguas se mezclan libremente con las profundas. Esto produce un reparto del oxígeno y los nutrientes.
• En invierno vuelve a existir una estratificación, pero en este caso el agua más fría (por debajo de 4oC e incluso en forma de hielo) se sitúa en la capa superior, mientras que en la capa profunda la temperatura se mantiene a 4oC y vuelven a acumularse nutrientes por la descomposición de organismos muertos.
• En primavera el epilimnion se calienta, de manera que se repite la mezcla y redistribución de nutrientes.
Existen lagos en los cuales la inversión se produce, tal y como se ha descrito, dos veces al año, pero también puede producirse una única vez al año o no producirse.
Los humedales son suelos sobre los cuales se acumula agua que no procede de ríos, debido a que se encuentran sobre materiales impermeables o saturados de agua y conectados con reservas subterráneas de agua. Existen humedales de muchos tipos, y podemos hablar de charcas, pantanos, marismas, manglares,
Etcétera
Su escaso valor económico y la proliferación de mosquitos que suele ir asociada ha hecho que estas zonas tengan escaso interés, excepto para extraer el agua para el regadío. En ocasiones la extracción abusiva de aguas subterráneas ha llegado a degradar estos humedales.
Actualmente estas áreas suelen protegerse, ya que en ellas se encuentra una enorme biodiversidad y son lugares en los cuales las aves migratorias realizan paradas o pasan el invierno.
6.3. Aguas subterráneas
El origen de las aguas subterráneas es principalmente la infiltración
Las aguas subterráneas pueden acumularse y desplazarse a través del terreno, lo cual es más fácil en terrenos permeables, es decir, terrenos porosos en los cuales los poros están comunicados.
Se considera un recurso renovable solo cuando el volumen de agua extraída cada año no supera el de la infiltrada
Se puede calcular el caudal de agua subterránea que circula teniendo en cuenta los siguientes parámetros:
•
La superficie (S) atravesada por el agua
Si realizamos un corte transversal de los materiales que el agua está atravesando, veremos que una parte del total de esta superficie (ST) es la ocupada por los granos del material (SG), mientras que otra parte es la que forman los poros (S). Esta última superficie (la de los poros) es la que utilizaremos en nuestros cálculos y, evidentemente, se cumple que S=S T−S G .
•
El gradiente hidráulico (P)
, que se corresponde con la pendiente de los materiales que el agua recorre. Si al recorrer una distancia l, el agua subterránea desciende una altura h, entonces P=hl
•
La conductividad hidráulica del terreno (C)
, no se puede calcular, sino determinar experimentalmente, y depende de los canales y poros comunicados que tenga. La ley de Darcy nos dice que Q=S⋅C⋅P
En un terreno permeable que contenga aguas subterráneas podemos distinguir las siguientes partes:
•
Zona de saturación
Con los poros completamente llenos de agua y que forma el acuífero
•
Zona capilar
En la que el agua asciende desde la anterior por capilaridad
• Zona de aireación
Está sobre las anteriores, y es la zona de movimiento vertical del agua, ascendiendo cuando hay evaporación y descendiendo cuando se produce la infiltración.
• Nivel freático
Nivel superior del acuífero, que varía según haya entrada o salida de agua
• Nivel piezométrico
En ocasiones (en los acuíferos confinados) el nivel del agua se ve limitado por una capa impermeable sobre este, y este es el nivel freático al cual llegaría el agua de no ser así.
Podemos encontrar diferentes tipos de acuíferos:
•
Libres, cuando el nivel freático puede variar, ya que las capas sobre ellos son permeables.
•
Confinados, cuando el nivel freático tiene un límite superior debido a que se encuentran bajo una capa impermeable. En estos acuíferos el agua puede encontrarse a una presión mayor que la atmosférica, y si la capa impermeable es perforada esta presión la hará ascender hasta el nivel piezométrico.
•
Colgados, formado por un pequeño volumen de agua que se encuentra por encima del nivel freático de la regíón, retenido por una zona impermeable bajo él.
•
Fósiles, aquellos formados hace mucho tiempo, y cuya recarga es muy lenta. Son siempre recursos no renovables.
Los acuíferos subterráneos reciben el agua por infiltración de las aguas superficiales, y se encuentran estrechamente relacionados con estas. Algunos nacimientos de ríos se corresponden con la salida al exterior
de aguas subterráneas, y algunas lagunas se forman al cortar el terreno el plano del nivel freático del acuífero.
En los acuíferos cercanos a la costa, se suma la posibilidad de que se produzca una intrusión salina, que consiste en que al extraer demasiada agua del acuífero, el agua salada retrocede y lo saliniza, al contrario de lo que ocurre durante el proceso normal en el cual es el agua dulce la que se desplaza hacia el mar.