Ciclo hidrológico. Quantidade de água disponível. Água. Fatores abióticos. Características da água. Influência da água temperatura

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Ciclo hidrológico

Prof. Dr. Silvio F. Barros Ferraz Depto. Ciências Florestais ESALQ/USP

Quantidade de água disponível

A quantidade de água doce disponível para consumo

é extremamente escassa

Distribuição da água no planeta A cada 1000 L 97,5% nos oceanos

1,8% em geleiras

975 L 18 L 0,6% nas camadas subterrâneas 6 L 0,015% nos lagos e rios

0,005% de umidade no solo

150 mL 50 mL 0,0009% em forma de vapor na atmosfera 9 mL 0,00004% na matéria viva 0,4 mL

Água

Estados físicos Líquido Sólido Gasoso Densidade

varia em função da temperatura líquido: 800 x densidade do ar

Viscosidade:

resistência ao fluxo e movimento

Empuxo em função da densidade •da água •do corpo flutuante

Gases dissolvidos

Nutrientes

Teor de sais

Turbidez

Temperatura

Condutividade

Intensidade de Luz

Pressão Hidrostática

pH

Fatores abióticos

Características da água

Mudança de estado Fusão da água 0 graus

Calor latente de fusão: 80 cal/g

Ebulição

100 graus

Calor latente de vaporização: 540 cal/g

Evaporação

Passagem para o estado gasoso a temperaturas menores que 100graus

Lv = 597,3 – 0,564T

• Lv em cal/g; T em graus C

Influência da água temperatura

A variação sazonal na temperatura aumenta com a distância a partir do Equador, especialmente no Hemisfério Norte, onde existe menos área de oceano para moderar as mudanças de temperatura.

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Teixeira et al., 2001

Distribuição da água na Terra

Elementos do ambiente físico

ar atmosfera vapor d’água luz temperatura pressão hidrosfera água doce água salgada água salobra litosfera

solo minerais de rocha

elementos compostos

orgânicos inorgânicos

Ecossistemas aquáticos (hidrosfera)

Água doce

Lêntico (águas paradas)

Lótico (água corrente)

Alagados

Água salgada

Oceanos

Água salobra

Estuários

Lagos e tanques

Lagos naturais: formados pelo represamento natural das águas de um córrego. Lagos artificiais: modificados pelo homem: Represas Tanques Reservatórios Açúdes CETESB, 2003

Rios e riachos

Comparação com lagos: correntes: fator limitante e de

controle

ecossistema mais aberto: maior interação terra x água tensão de oxigênio alta e

uniforme

não há estratificação térmica ou química

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Elementos do ambiente físico

elementos compostos orgânicos inorgânicos Teixeira et al., 2001

Água na litosfera

Água do solo

θ θθ θ(cm3/cm3) Z θ θθ θcc θθθsatθ θ θθ θpmp Zr 0 0 Água gravitacional Água residual

Capacidade de Água Disponível (CAD)

CAPACIDADE DE ÁGUA DISPONÍVEL (CAD)

representa o máximo de água disponível que determinado tipo de solo pode reter em função de suas características físico-hídricas.

Sentelhas, 2005

Ponto de murcha permanente (PMP)

Umidade do solo na qual as plantas não mais conseguem manter suas folhas túrgidas.

PMP ocorre a uma pressão aproximada de 15 atm.

Capacidade de campo (CC)

umidade próxima ao nível de saturação do solo;

teoricamente significa a umidade que um dado solo sustenta sob a ação da gravidade

ocorre após cessada a chuva e o excesso de água ter sido drenado por gravidade.

Os níveis de CC e PMP variam de acordo com o solo ?

Água do solo

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Água do solo

Água gravitacional

água drenada antes que a CC seja atingida. estoque de água em poros

grandes, em processo de percolação.

Água não disponível:

Umidade higroscópica; Constituída de filmes finos

em torno de partículas de solo abaixo do PMP. Não está disponível para as

plantas. Brady, 1989; Vianei, 2002 areia areia fina arenoso barrento areia fina barrento barrolimo barro argila barro leve argila barro argila barro pesado argila CC CAD PMP ÁGUA GRAVIT ACION AL ÁGUA N ÃO DIS PONÍVEL SATURAÇÃO AR SECO D is tr ib u iç ã o r e la ti v a d e u m id a d e Brady, 1989 textura

Umidade do solo

Conteúdo de água no solo, estimada pela secagem em estufa e pesagem.

Pode ser calculada em relação ao volume, ou em relação ao peso. Em volume: Em peso

V

_w v

=

θ

s w w

W

=

θ

Ww é o peso da água Ws é o peso do solo Vw é o volume da água V é o volume do solo

Elementos do ambiente físico

elementos compostos

orgânicos inorgânicos

Água na atmosfera

Umidade do ar:

Vapor d´água constituinte variável do ar atmosférico (0-4%)

Temperatura

• Fator determinante

• Influencia a capacidade de contenção do vapor d´água

Vapor d´água

• Originado do solo

• Diminui a medida que se afasta da superfície

• Elemento de troca energética da atmosfera

•Movimentação

•Armazenamento

• Condicionante dos processos de troca entre as plantas e a atmosfera (evapotranspiração)

Ometto, 1981

Pressão de saturação de vapor (es) é a pressão parcial de vapor

d'água na condição de saturação. É uma função da temperatura, dada por:

      + × = t t es 3 . 237 27 . 17 exp 11 . 6 Em que esé em mbar e t em o_C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 10 20 30 40 50 Temperatura (oC) P re s s ã o d e s a tu ra ç ã o d e v a p o r, e s ( K P a )

Conceitos

Vianei Soares, 2002

Conceitos

Pressão

Exercida por gases devido à energia cinética de suas moléculas

Pressão parcial:

Exercida pelo vapor d´água no ar atmosférico, denominada de pressão de vapor (e)

• e = % em volume de vapor x pressão total (em atm)

Pressão de saturação de vapor (es)

Pressão parcial exercida pelo vapor d´água quando o ar se encontra no ponto de saturação

É expressa em bars (b) ou milibars (mb):

1 b = 1000 mb = 0,987 atm (pressão atmosférica ao nível do mar)

1 b = 105_N/m2_{= 10}5_{Pa = 0,1 MPa}

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Umidade específica (q)

Quantidade de vapor d´água existente em uma massa de ar. Massa de vapor d´água por unidade de massa de ar

p

e

Kg

g

q

(

/

)

=

622

Soares, 2007

Onde: q = umidade específica em grama de vapor d´água por Kg de ar úmido

e = pressão parcial de vapor (mbar) p = pressão atmosférica (mbar)

ma

mv

q

+

=

Umidade de saturação (US)

Expressa a massa de vapor d´água em condições de saturação, por volume de ar

Soares, 2007

Onde: U.S. = umidade de saturação (g / m3₎

es = pressão parcial de vapor na condição de saturação (mbar) T = temperatura do ar

T

es

S

U

+

=

273 .

288 .

.

Convergência intertropical

Definição: Região na qual as correntes de ar dos subtrópicos norte e sul se encontram, perto do Equador, e iniciam a subida sob o aquecimento do Sol.

Característica: o ar quente e úmido se resfria, condensando a umidade e formando nuvens e causando precipitação.

Regiões tropicais chuvosas

O ar resfriado (mais denso) que desce na região subtropical forma o cinturão subtropical de alta pressão.

Desertos

Ricklefs, 2003

Umidade relativa (UR)

Relação entre o teor de vapor d´água que o ar contem e o teor máximo que poderia conter, à temperatura ambiente

Obtenção pela pressão de vapor d´água:

Umidade relativa do ar é razão entre a pressão de vapor e a pressão de saturação

Obtenção pela umidade de saturação

100 (%)

=

⋅

s

e

UR

100 .

.

(%)

=

⋅

S

U

A

U

UR

Onde:

e = pressão parcial do vapor d´água es = pressão de saturação do vapor d´água

Onde:

U.A. = Umidade atual do ar U.S. = Umidade de saturação do ar

Déficit de pressão de vapor

Déficit de pressão de vapor é a diferença (es- e)

em mb (ou KPa) Ponto de orvalho

é a temperatura na qual o ar em processo de resfriamento se satura.

Resfriamento adicional resulta em condensação provocando orvalho.

Soares, 2007

Água precipitável

Quantidade total de vapor

d´água existente na atmosfera. Quantidade potencial de chuva,

caso todo o vapor d´água fosse precipitado

∫

=

∆

0 ,

01

p1 p

UEdp

x

P

Onde: ∆P = água precipitável (mm) UE = umidade específica P1 e P – pressão atmosférica (mbar)

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Ciclos Biogeoquímicos

O transporte de matéria nos ecossistemas reside na

existência de circuitos nos quais os diversos

elementos são

constantemente reciclados

. Os seres

vivos têm necessidade de mais de 40 elementos

para fazer a síntese de seu protoplasma.

CICLO

Matéria

Rickefs, 2003

Ciclo dos elementos nos ecossistemas

Ciclo hidrológico

Precipitação:

condensação de gotículas a partir de vapor d’água, dando origem as chuvas, neve ou granizo

Evaporação é a transformação da água no seu estado líquido para o estado gasoso à medida que se desloca da superfície para a atmosfera. Transpiração é a forma como a água existente nos organismos passa para a

atmosfera.

Evapotranspiração (evaporação e transpiração):

evaporação direta é causada pela radiação solar e vento e a transpiração pela atividade biológica dos organismos

Interceptação:

água fica retida nos caules e folhas sofrendo evaporação posteriormente (regiões florestadas)

Infiltração:

água das chuvas penetra o solo Escoamento superficial:

água escoa pela superfície do solo, convergindo para córregos e rios Precipitação:

condensação de gotículas a partir de vapor d’água, dando origem as chuvas, neve ou granizo

Evaporaçãoé a transformação da água no seu estado líquido para o estado gasoso à medida que se desloca da superfície para a atmosfera. Transpiraçãoé a forma como a água existente nos organismos passa para a

atmosfera.

Evapotranspiração(evaporação e transpiração):

evaporação direta é causada pela radiação solar e vento e a transpiração pela atividade biológica dos organismos

Interceptação:

água fica retida nos caules e folhas sofrendo evaporação posteriormente (regiões florestadas)

Infiltração:

água das chuvas penetra o solo

Escoamento superficial:

água escoa pela superfície do solo, convergindo para córregos e rios

Ciclo hidrológico

Rickefs, 2003 Valores em Tt (teratoneladas)

Fluxos anuais

Balanço global da água

Balanço global - Brasil

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Balanço hídrico

O ciclo hidrológico pode ser representado pela chamada Equação do Balanço Hídrico, que em geral está associada a uma bacia hidrográfica. Essa equação é dada por:

P – EVT – Q = ∆R onde:

P – total precipitado sobre a bacia em forma de chuva, neve, etc., expressa em mm;

EVT – peradas por evapotranspiração, expressa em mm; Q – escoamento superficial que sai da bacia. É normalmente

dado em vazão média ao longo do intervalo (por exemplo m3_{/s ao}

longo do ano);

∆R – variação de todos os armazenamentos, superficiais e subterrâneo. É expresso em m3_{ou em mm.} Teixeira et al., 2001

Balanço hídrico

P - E - Q (±∆S) = 0 onde: P = precipitação total sobre a bacia E = evapotranspiração Q = volume escoado pela bacia ∆S = variação devido ao armazenamento no interior da bacia

Balanço hídrico - componentes

Lima, 1996 Bebedouro, SP 0 5 10 15 20 25 30

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

T e m p e ra tu ra m é d ia ( oC ) 0 50 100 150 200 250 300 350 C h u v a ( m m /m ê s ) Chuva Tmed Itabaianinha, SE 0 5 10 15 20 25 30

T e m p e ra tu ra m é d ia ( oC ) 0 50 100 150 200 250 300 350 C h u v a ( m m /m ê s ) Chuva Tmed Taquarí, RS 0 5 10 15 20 25 30

T e m p e ra tu ra m é d ia ( oC ) 0 50 100 150 200 250 300 350 C h u v a ( m m /m ê s ) Chuva Tmed Uberaba, MG 0 5 10 15 20 25 30

T e m p e ra tu ra m é d ia ( oC ) 0 50 100 150 200 250 300 350 C h u v a ( m m /m ê s ) Chuva Tmed Sentelhas/Angelocci Bebedouro, SP -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

Jan Fev Mar Abr Mai JunJulAgo SetOut Nov Dez

D e f (m m ) E x c ( m m ) Exc = 327mm Def = 198mm Lat.: 20o50'S Long.: 48o30'W Alt.: 567m Itabaianinha, SE -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

Jan Fev Mar Abr Mai JunJulAgo SetOut Nov Dez

D e f (m m ) E x c ( m m ) Exc = 123mm Def = 291mm Lat.: 11o 07'S Long.: 37o49'W Alt.: 223m Sentelhas/Angelocci

Balanço hídrico

Caracterização regional da disponibilidade hídrica

Extrato do Balanço Hídrico Mensal

-200 -100 0 100 200 300 400

JanFevM arAbrMaiJunJulAgoSetOutNovDez

m

DEF(-1)EXC

-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

JanFevM arAbrMaiJunJulAgoSetOutNovDez

m

DEF(-1)EXC Extrato do Balanço Hídrico Mensal

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

JanFevMarAbrMaiJunJulAgoSetOutNovDez

m

DEF(-1)EXC

-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350

m

DEF(-1)EXC

-50 0 50 100 150 200

m

DEF(-1)EXC Extrato do Balanço Hídrico Mensal

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

m

DEF(-1)EXC

-150 -100 -50 0 50 100 150 200

JanFevMarAbrMaiJunJulAgoSe tOutNovDe z

m

DEF(-1)EXC

Sentelhas/Angelocci

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Questão

Num ecossistema hipotético de 1m2, a energia que chega do sol é de 208 Watt / m2. seg.

Sabendo-se que: eficiência fotossintética é de 1,2% 1 Watt = 1 joule/seg 1 caloria = 4,18 joules

1 caloria eleva a temperatura de 1cm3de água em 1 grau Celsius temperatura inicial da água = 25 graus Celsius temperatura de evaporação da água = 100 graus Celsius Calor latente de vaporização: 540 cal/g

Calcule:

a produtividade primária bruta do ecossistema (em calorias/seg). a perda de energia para o ambiente (em calorias/seg)

Se neste ecossistema (em 10 minutos) houve uma precipitação de 1cm, calcule a quantidade de água evaporada se a energia perdida fosse utilizada totalmente para este processo.