Transcript Calor e padrões de circulação

Calor e Padrões de Circulação
Curso: Ciências Biológicas
Matéria: Limnologia
Prof. José Fernandes Bezerra Neto
Distribuição do calor em lagos
1. Qual é a relação entre a temperatura e a densidade da água?
2. Porque a distribuição de calor é importante?
3. Como e porque os lagos estratificam?
4. Quais são os principais padrões de mistura em lagos?
Propriedades da água
Propriedades físico-químicas da água
A densidade da água:
A densidade de uma substância é uma relação entre a
massa e o volume que ela ocupa.
A grande maioria das substâncias diminui de volume e,
por conseqüência, aumenta de densidade à medida
que a temperatura diminui.
A água apresenta uma dilatação irregular, apresentando
um mínimo de volume, portanto um máximo de
densidade quando a temperatura é de 4 ºC.
As moléculas de água são dipolares:
d+
H
104.5°
H
Ocorrendo ligações de pontes de hidrogênio:
O
d-
Estas pontes de hidrogênio se formam e quebram a uma taxa que
é determinada pela temperatura da água
Formam um tetraedro quando congelam
Temperatura
(ºC)
Densidade da água
(g.cm-3)
100
25
0,958
0,997
10
4
0
0,999
1,000
0,917
Uma importante conseqüência das
pontes de hidrogênio e as relações de
densidade :
O gelo flutua
Outras propriedades da água:
• A água tem um alto calor específico – a quantidade
de calor em calorias requerida para elevar a
temperatura de 1 g de água 1°C
•A água tem uma alta tensão superficial – medida de
força do filme superficial
Diversos
organismos
vivem sobre
o filme
superficial
Qual a importância do calor no funcionamento
de lagos?
•O calor controla as taxas de reações biológicas
•Fator controlador da distribuição dos organismos
•A estratificação física leva à estratificação química
Vamos relembrar o
decaimento
exponencial da luz
na coluna de água
em lagos
% of surface light
0
0
5
depth (m)
10
Será que o
calor mostra o
mesmo
padrão?
15
20
25
30
35
Kalff 2002
25
50
75
100
Não!
Temperatura (°C)
5
Profundidade (m)
1
10
15
20
25
30
Epilímnio
2
3
4
5
Metalímnio
Termoclina
6
7
8
9
10
Hipolímnio
Duas massas de água separadas onde há pouca
mistura
Epilímnio
Camada superior
Quente (menos densa)
Bem misturado
TERMOCLINA
Hipolímnio
Camada inferior
Frio (mais densa)
Sem luz
Esta condição em que, na coluna de água,
observa-se que duas camadas não se
misturam é conhecido como
ESTRATIFICAÇÃO TÉRMICA
Estabilidade—probabilidade que um lago
estratificado permaneça estratificado
Irá depender da diferença de densidade
entre as duas camadas
Porque os lagos se estratificam e desestratificam?
(1) Relações de
densidade da água
Água menos densa “flutua” sobre a
água das camadas mais profundas
(mais densas)
Porque os lagos se estratificam e desestratificam?
(2) Efeito do vento
A difusão molecular do calor é lento, o vento
precisa misturar o calor para as águas mais
profundas
O vento e a mistura da coluna de água
 = comprimento da onda
h = altura da onda
• A superfície do lago é exposta ao vento, o qual mistura a
água. Entretanto, a energia turbulenta do vento se dissipa
com a profundidade.
• Quanto maior a diferença de densidade entre as camadas
de água, mais difícil é para o vento esta ação de mistura.
Temperatura – dia calmo
O perfil de temperatura deveria se
parecer com o perfil de luz – ao menos
em um dia perfeitamente calmo
Temperatura
x
x
x
x
Temperatura – dia com vento
• Mas, quando o vento sopra, ele mistura a
superfície da água com a água de camadas mais
profundas
• E esta energia se dissipa com a profundidade
Temperatura
x
x
x
x
x
x
A profundidade no qual o vento pode misturar o calor
irá depender da área da superfície e a sua relação com
a profundidade
Fetch — distância no qual o vento age sobre a
superfície da água.
As mudanças irão depender em qual caminho o
vento sopra
Influenciado pela paisagem ao redor do lagos
Os padrões de mistura podem ser influenciados por:
A morfometria do lago
Geografia
A claridade da água
Clima
Um lago com a
profundidade máxima
de 4m pode estratificar
se ele está numa bacia
protegida
Lago Bullhead
Área = 0.02 km2
Fetch < 300 m
22 August 1993
Um lago com a
profundidade máxima de
12m pode circular
constantemente se o
fetch é longo o bastante
Te mpe r a t ur e ( C)
0
0
2
Lago Oneida, NY
Área = 207 km2
Fetch = 33 km
Depth (m)
4
6
8
10
12
5
10
15
20
25
30
Como os lagos estratificam?
Temperatura (°C)
Variação anual
5
(1) Verão
1
O epilímnio é aquecido
O hipolímnio está isolado
Forte estratificação térmica
Profundidade (m)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
15
20
25
30
Como os lagos estratificam?
Temperatura (°C)
Variação anual
5
1
(2) Outono
O calor é perdido da superfície
da água durante a noite
A água mais fria difunde-se
para as águas profundas
causando a chamada mistura
por convecção
A Termoclina torna-se mais
profunda e a temperatura do
epilímnio diminui
Profundidade (m)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
15
20
25
30
Como os lagos estratificam?
Temperatura (°C)
Variação anual
5
1
(3) inverno
Não há diferença de densidade
Não há resistência à mistura
O calor absorvido na superfície é
distribuído por toda a coluna de
água
Profundidade (m)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
15
20
25
30
Como os lagos estratificam?
Temperatura (°C)
Variação anual
5
1
(4) Primavera
A superfície da água é
aquecida mais rapidamente
do que o calor possa ser
distribuído pela mistura
Profundidade (m)
Dias longos e quentes significam
que mais calor é transferido para
a superfície da água
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
15
20
25
30
Como os lagos estratificam?
Temperatura (°C)
Variação anual
5
1
(5) Final da primavera
Profundidade (m)
Com o
estabelecimento da
diferença de
densidade, o
epilímnio “flutua”
sobre o hipolímnio
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
15
20
25
30
Padrões de circulação em lagos estratificados
-A mistura de água na superfície leva o calor até as camadas mais
profundas de água.
-Diferenças na densidade causa resistência na mistura vertical.
-O trabalho necessário para misturar as camadas irá depender da
diferença de densidades entre os estratos.
-Entretanto , é necessário muito mais trabalho para misturar 25o para
15o vs. 15o para 5º
Wind
Epilímnio
Metalímnio
Hipolímnio
Como podemos representar os parões sazonais em apenas um gráfico?
Diagrama profundidade-tempo
Wetzel 2001
isotermas
A estratificação térmica em um lago
tropical
18,0
18,5
1
19,0
19,5
2
20,0
P rof. (m )
20,5
3
21,0
21,5
22,0
4
22,5
23,0
5
23,5
24,0
6
24,5
25,0
O
N
1999
D
J
F
M
A
M
J
J
A
S
2000
Diagrama profundidade-tempo da temperatura da água (ºC) na
Lagoa do Nado,MG.
Padrões de mistura
1. Amíticos— Nunca misturam porque os lagos estão congelados.
A maior parte é encontrado na Antarctica
2. Holomíticos— Os lagos misturam completamente
Lagos monomíticos: frio / quente
Lagos dimíticos
Lagos polimíticos
3. Meromíticos— Nunca circulam completamente devido à
acumulação de sais nas águas profundas.
Meromixia biogênica
Meromixia ectogênica
Meromixia crenogênica
Holomíticos:
os lagos circulam completamente
Lagos monomíticos frios — um período de mistura
Congelados durante todo o inverno (estratificação reversa)
Mistura brevemente a temperatura baixas no verão
Lagos do Ártico e em montanhas geladas
Lago Meretta, CA
Kalff 2002
Holomíticos:
os lagos circulam completamente
Kalff 2002
Lagos monomíticos quentes — um período de mistura
Estratificação térmica no verão
Não congelam e apenas misturam no inverno
Lagoa
Carioca, MG
Representação diagramática de um
regime de mistura monomítico quente
Verão
Outono
Primavera
Inverno
Holomíticos:
os lagos circulam completamente
Dimíticos— dois períodos de mistura e dois períodos de
estratificação
Congelado no inverno (estratificação inversa)
Estraificado no verão
Wetzel 2001
Representação diagramática de um
regime de mistura dimítico
Holomíticos:
os lagos circulam completamente
Lagos polimíticos — misturam muitas vezes
durante o ano
Podem estratificar por dias ou semanas,
mas estratificam mais de uma vez
durante o ano
Meromíticos: lagos que são quimicamente estratificados
Termoclina
Quemoclina
Monimolímnio
Exemplos de meromixia — entrada de sais devido à
atividade biológica (decomposição)
Lago Tanganyika
Zm > 1400 m
Área = 32,000 km2
Muitos anos de
Mistura incompleta
Sensores para coleta de dados
Sonda YSI
Temperatura e OD
Sonda de múltiplos parâmetros YSI
Monitoramento Intensivo em Tempo Real
Estratificação térmica e estratificação
química de lagos