Ciclo del agua

El ciclo del agua, también conocido como ciclo hidrológico o ciclo hídrico, es un ciclo biogeoquímico que describe el movimiento continuo del agua sobre, por encima y por debajo de la superficie de la Tierra. La masa de agua en la Tierra permanece bastante constante a lo largo del tiempo, pero la partición del agua en los principales reservorios de hielo, agua dulce, agua salada (agua salada) y agua atmosférica es variable dependiendo de una amplia gama de variables climáticas. El agua se mueve de un depósito a otro, como del río al océano, o del océano a la atmósfera, por los procesos físicos de evaporación, condensación, precipitación, infiltración, escorrentía superficial y flujo subterráneo. Al hacerlo, el agua pasa por diferentes formas: líquida, sólida (hielo) y vapor.

El ciclo del agua implica el intercambio de energía, lo que conduce a cambios de temperatura. Cuando el agua se evapora, toma energía de su entorno y enfría el ambiente. Cuando se condensa, libera energía y calienta el ambiente. Estos intercambios de calor influyen en el clima.

La fase de evaporación del ciclo purifica el agua que luego repone la tierra con agua dulce. El flujo de agua líquida y hielo transporta minerales por todo el mundo. También participa en la remodelación de las características geológicas de la Tierra, a través de procesos que incluyen la erosión y la sedimentación. El ciclo del agua también es fundamental para el mantenimiento de la mayor parte de la vida y los ecosistemas del planeta.

Descripción

El sol, que impulsa el ciclo del agua, calienta el agua en el océano y los mares. El agua se evapora como vapor de agua en el aire. Parte del hielo y la nieve se sublima directamente en vapor de agua. La evapotranspiración es el agua transpirada de las plantas y evaporada del suelo. La molécula de agua H
₂El O tiene una masa molecular más pequeña que los principales componentes de la atmósfera, el nitrógeno ( N
₂) y oxígeno ( O
₂) y por lo tanto es menos denso. Debido a la diferencia significativa en la densidad, la flotabilidad impulsa el aire húmedo más alto. A medida que aumenta la altitud, la presión del aire disminuye y la temperatura baja (ver Leyes de los gases). La temperatura más baja hace que el vapor de agua se condense en pequeñas gotas de agua líquida que son más pesadas que el aire y que caen a menos que las sostenga una corriente ascendente. Una gran concentración de estas gotas en una gran área de la atmósfera se vuelve visible como una nube, mientras que la condensación cerca del nivel del suelo se conoce como niebla.

La circulación atmosférica mueve el vapor de agua por todo el globo; las partículas de las nubes chocan, crecen y caen de las capas superiores de la atmósfera en forma de precipitación. Algunas precipitaciones caen en forma de nieve, granizo o aguanieve, y pueden acumularse en los casquetes polares y los glaciares, que pueden almacenar agua congelada durante miles de años. La mayor parte del agua cae en forma de lluvia de regreso al océano oa la tierra, donde el agua fluye sobre el suelo como escorrentía superficial. Una porción de esta escorrentía ingresa a los ríos, y el flujo de la corriente mueve el agua hacia los océanos. La escorrentía y el agua que emerge del suelo (agua subterránea) pueden almacenarse como agua dulce en los lagos. No toda la escorrentía desemboca en los ríos; gran parte se empapa en el suelo como infiltración. Parte del agua se infiltra profundamente en el suelo y recarga los acuíferos, que pueden almacenar agua dulce durante largos períodos de tiempo. Parte de la infiltración permanece cerca de la superficie terrestre y puede filtrarse hacia los cuerpos de agua superficial (y el océano) como descarga de agua subterránea. Parte del agua subterránea encuentra aberturas en la superficie de la tierra y emerge como manantiales de agua dulce. En los valles de los ríos y las llanuras aluviales, a menudo hay un intercambio continuo de agua entre el agua superficial y el agua subterránea en la zona hiporreica. Con el tiempo, el agua regresa al océano para continuar el ciclo del agua.

• ciclo del agua de la tierra
• A medida que el agua de la superficie de la Tierra se evapora, el viento mueve el agua del aire desde el mar hacia la tierra, lo que aumenta la cantidad de agua dulce en la tierra.
• El vapor de agua se convierte en nubes que traen agua dulce a la tierra en forma de lluvia, nieve y aguanieve.
• La precipitación cae sobre el suelo, pero lo que sucede con el agua depende en gran medida de la geografía de la tierra en cualquier lugar en particular.

Reciclaje de aguas profundas

El ciclo de aguas profundas (también llamado ciclo geológico del agua) es el intercambio de agua con el manto terrestre, a través de zonas de subducción y actividad volcánica, y se distingue del ciclo del agua sobre y sobre la superficie del planeta en el Ciclo Hidrológico.

El proceso de reciclaje de aguas profundas implica que el agua ingrese al manto al ser arrastrada hacia abajo por la subducción de las placas oceánicas (un proceso conocido como regasificación) que se equilibra con el agua que se libera en las dorsales oceánicas (desgasificación). Este es un concepto central en la comprensión del intercambio de agua a largo plazo entre el interior de la tierra y la exosfera y el transporte de agua ligada en minerales hidratados.

Se ha propuesto un desequilibrio en el reciclaje de aguas profundas como un mecanismo que puede afectar los niveles globales del mar.

Procesos

PrecipitaciónVapor de agua condensado que cae a la superficie terrestre. La mayor parte de la precipitación se produce en forma de lluvia, pero también incluye nieve, granizo, goteo de niebla, granizo y aguanieve. Aproximadamente 505 000 km (121 000 millas cúbicas) de agua caen como precipitación cada año, 398 000 km (95 000 millas cúbicas) de ellos sobre los océanos. La lluvia en tierra contiene 107.000 km (26.000 millas cúbicas) de agua por año y una nevada solo 1.000 km (240 millas cúbicas). El 78% de la precipitación global ocurre sobre el océano.Subducción e hidratación mineralEl agua de mar se filtra en la litosfera oceánica a través de fracturas y poros, y reacciona con los minerales de la corteza y el manto para formar minerales hidratados (como la serpentina) que almacenan agua en sus estructuras cristalinas. El agua se transporta al manto profundo a través de minerales hidratados en losas en subducción. Durante la subducción, una serie de minerales en estas losas como la serpentina... pueden ser estables a diferentes presiones dentro de los geotérmicos de la losa y pueden transportar una cantidad significativa de agua al interior de la Tierra.A medida que las placas se hunden y se calientan, los fluidos liberados pueden desencadenar sismicidad e inducir el derretimiento dentro de la placa subducida y en la cuña del manto que la recubre. Este tipo de fusión concentra selectivamente los volátiles y los transporta a la placa superior. Si ocurre una erupción, el ciclo luego devuelve los volátiles a los océanos y la atmósfera.interceptación del doselLa precipitación que es interceptada por el follaje de las plantas finalmente se evapora de regreso a la atmósfera en lugar de caer al suelo.Derretimiento de nieveLa escorrentía producida por el derretimiento de la nieve.EscapadaLa variedad de formas en que el agua se mueve a través de la tierra. Esto incluye tanto la escorrentía superficial como la escorrentía del canal. A medida que fluye, el agua puede filtrarse en el suelo, evaporarse en el aire, almacenarse en lagos o embalses o extraerse para usos agrícolas o humanos.InfiltraciónEl flujo de agua desde la superficie del suelo hacia el suelo. Una vez infiltrada, el agua se convierte en humedad del suelo o agua subterránea. Sin embargo, un estudio mundial reciente que utiliza isótopos estables del agua muestra que no toda la humedad del suelo está igualmente disponible para la recarga de aguas subterráneas o para la transpiración de las plantas.Flujo subterráneoEl flujo de agua subterránea, en la zona vadosa y acuíferos. El agua del subsuelo puede volver a la superficie (p. ej., como un manantial o bombeada) o, finalmente, filtrarse en los océanos. El agua regresa a la superficie terrestre a menor altura que donde se infiltró, bajo la fuerza de la gravedad o las presiones inducidas por la gravedad. El agua subterránea tiende a moverse lentamente y se repone lentamente, por lo que puede permanecer en los acuíferos durante miles de años.EvaporaciónLa transformación del agua de fase líquida a fase gaseosa a medida que se mueve desde el suelo o cuerpos de agua hacia la atmósfera superior. La fuente de energía para la evaporación es principalmente la radiación solar. La evaporación a menudo incluye implícitamente la transpiración de las plantas, aunque en conjunto se les conoce específicamente como evapotranspiración. La evapotranspiración anual total asciende a aproximadamente 505 000 km (121 000 millas cúbicas) de agua, 434 000 km (104 000 millas cúbicas) de los cuales se evaporan de los océanos. El 86% de la evaporación global ocurre sobre el océano.SublimaciónEl estado cambia directamente de agua sólida (nieve o hielo) a vapor de agua pasando al estado líquido.DeclaraciónEsto se refiere al cambio de vapor de agua directamente a hielo.AdvecciónEl movimiento del agua a través de la atmósfera. Sin advección, el agua que se evapora sobre los océanos no podría precipitarse sobre la tierra.CondensaciónLa transformación del vapor de agua en gotitas de agua líquida en el aire, creando nubes y niebla.TranspiraciónLa liberación de vapor de agua de las plantas y el suelo al aire.FiltraciónEl agua fluye verticalmente a través del suelo y las rocas bajo la influencia de la gravedad.Placas tectónicasEl agua ingresa al manto a través de la subducción de la corteza oceánica. El agua vuelve a la superficie a través del vulcanismo.

El ciclo del agua implica muchos de estos procesos.

• Diagrama del ciclo del agua
• ciclo natural del agua

Tiempos de residencia

El tiempo de residencia de un reservorio dentro del ciclo hidrológico es el tiempo promedio que una molécula de agua permanecerá en ese reservorio ( ver tabla adyacente ). Es una medida de la edad promedio del agua en ese embalse.

El agua subterránea puede pasar más de 10.000 años debajo de la superficie de la Tierra antes de salir. El agua subterránea particularmente vieja se llama agua fósil. El agua almacenada en el suelo permanece allí por muy poco tiempo, porque se esparce muy poco por la Tierra y se pierde fácilmente por evaporación, transpiración, corrientes de agua o recarga de aguas subterráneas. Después de evaporarse, el tiempo de residencia en la atmósfera es de unos 9 días antes de condensarse y caer a la Tierra como precipitación.

Las principales capas de hielo, la Antártida y Groenlandia, almacenan hielo durante períodos muy largos. El hielo de la Antártida se ha fechado de forma fiable en 800.000 años antes del presente, aunque el tiempo medio de residencia es más corto.

En hidrología, los tiempos de residencia se pueden estimar de dos formas. El método más común se basa en el principio de conservación de la masa (balance hídrico) y asume que la cantidad de agua en un depósito dado es aproximadamente constante. Con este método, los tiempos de residencia se estiman dividiendo el volumen del reservorio por la tasa por la cual el agua entra o sale del reservorio. Conceptualmente, esto es equivalente a medir el tiempo que tardaría el depósito en llenarse si no saliera agua (o cuánto tardaría el depósito en vaciarse si no entrara agua).

Un método alternativo para estimar los tiempos de residencia, que está ganando popularidad para datar las aguas subterráneas, es el uso de técnicas isotópicas. Esto se hace en el subcampo de hidrología isotópica.

Cambios con el tiempo

El ciclo del agua describe los procesos que impulsan el movimiento del agua a través de la hidrosfera. Sin embargo, hay mucha más agua "almacenada" durante largos períodos de tiempo de la que realmente se mueve a través del ciclo. Los almacenes de la gran mayoría de toda el agua de la Tierra son los océanos. Se estima que de las 332 500 000 mi (1 386 000 000 km ) del suministro de agua del mundo, alrededor de 321 000 000 mi (1 338 000 000 km ) se almacenan en los océanos, o alrededor del 97 %. También se estima que los océanos suministran alrededor del 90% del agua evaporada que entra en el ciclo del agua.

Durante los períodos climáticos más fríos, se forman más casquetes polares y glaciares, y una cantidad suficiente del suministro mundial de agua se acumula en forma de hielo para disminuir las cantidades en otras partes del ciclo del agua. Lo contrario es cierto durante los períodos cálidos. Durante la última edad de hielo, los glaciares cubrieron casi un tercio de la masa terrestre de la Tierra, con el resultado de que los océanos estaban unos 122 m (400 pies) más bajos que en la actualidad. Durante el último "período cálido" global, hace unos 125.000 años, los mares eran unos 5,5 m (18 pies) más altos de lo que son ahora. Hace unos tres millones de años, los océanos podrían haber sido hasta 50 m (165 pies) más altos.

El consenso científico expresado en el Resumen para responsables de políticas del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) de 2007 es que el ciclo del agua continúe intensificándose a lo largo del siglo XXI, aunque esto no significa que las precipitaciones aumentarán en todas las regiones.En áreas terrestres subtropicales, lugares que ya son relativamente secos, se prevé que la precipitación disminuya durante el siglo XXI, aumentando la probabilidad de sequía. Se proyecta que el secado sea más fuerte cerca de los márgenes hacia los polos de los subtrópicos (por ejemplo, la cuenca del Mediterráneo, Sudáfrica, el sur de Australia y el suroeste de los Estados Unidos). Se espera que las cantidades de precipitación anual aumenten en las regiones cercanas al ecuador que tienden a ser húmedas en el clima actual, y también en latitudes altas. Estos patrones a gran escala están presentes en casi todas las simulaciones de modelos climáticos realizadas en varios centros de investigación internacionales como parte de la 4ª Evaluación del IPCC.La investigación publicada en 2012 en Science basada en la salinidad de la superficie del océano durante el período de 1950 a 2000 confirma esta proyección de un ciclo global del agua intensificado con áreas saladas que se vuelven más salinas y áreas más dulces que se vuelven más frescas durante el período:

La termodinámica fundamental y los modelos climáticos sugieren que las regiones secas se volverán más secas y las regiones húmedas se volverán más húmedas en respuesta al calentamiento. Los esfuerzos para detectar esta respuesta a largo plazo en escasas observaciones superficiales de lluvia y evaporación siguen siendo ambiguos. Mostramos que los patrones de salinidad del océano expresan una huella digital identificable de un ciclo de agua que se intensifica. Nuestros cambios de salinidad en la superficie global observados durante 50 años, combinados con los cambios de los modelos climáticos globales, presentan evidencia sólida de un ciclo global del agua intensificado a una tasa de 8 ± 5% por grado de calentamiento de la superficie. Esta tasa es el doble de la respuesta proyectada por los modelos climáticos de la generación actual y sugiere que se producirá una intensificación sustancial (16 a 24 %) del ciclo global del agua en un mundo futuro entre 2° y 3° más cálido.

Un instrumento transportado por el satélite SAC-D Aquarius, lanzado en junio de 2011, midió la salinidad global de la superficie del mar.

El retroceso de los glaciares también es un ejemplo de un ciclo cambiante del agua, donde el suministro de agua a los glaciares a partir de la precipitación no puede mantenerse al día con la pérdida de agua por el derretimiento y la sublimación. El retroceso de los glaciares desde 1850 ha sido extenso.

Las actividades humanas que alteran el ciclo del agua incluyen:

• agricultura
• industria
• alteración de la composición química de la atmósfera
• construcción de presas
• deforestación y forestación
• extracción de agua subterránea de los pozos
• extracción de agua de los ríos
• urbanización: para contrarrestar su impacto, se puede practicar un diseño urbano sensible al agua

Efectos sobre el clima

El ciclo del agua se alimenta de energía solar. El 86% de la evaporación global ocurre en los océanos, reduciendo su temperatura por enfriamiento evaporativo. Sin el enfriamiento, el efecto de la evaporación sobre el efecto invernadero conduciría a una temperatura superficial mucho más alta de 67 ° C (153 ° F) y un planeta más cálido.

La reducción o sobreexplotación del acuífero y el bombeo de agua fósil aumenta la cantidad total de agua en la hidrosfera y se ha postulado que contribuye al aumento del nivel del mar.

Efectos sobre el ciclo biogeoquímico

Si bien el ciclo del agua es en sí mismo un ciclo biogeoquímico, el flujo de agua sobre y debajo de la Tierra es un componente clave del ciclo de otros biogeoquímicos. La escorrentía es responsable de casi todo el transporte de sedimentos erosionados y fósforo de la tierra a los cuerpos de agua. La salinidad de los océanos se deriva de la erosión y el transporte de sales disueltas desde la tierra. La eutrofización cultural de los lagos se debe principalmente al fósforo, aplicado en exceso a los campos agrícolas en forma de fertilizantes, y luego transportado por tierra y río abajo. Tanto la escorrentía como el flujo de agua subterránea juegan un papel importante en el transporte de nitrógeno de la tierra a los cuerpos de agua.La zona muerta en la salida del río Mississippi es una consecuencia de los nitratos de los fertilizantes que se extraen de los campos agrícolas y se canalizan por el sistema fluvial hacia el Golfo de México. La escorrentía también juega un papel en el ciclo del carbono, nuevamente a través del transporte de rocas y suelos erosionados.

Pérdida lenta en el tiempo geológico

El viento hidrodinámico dentro de la porción superior de la atmósfera de un planeta permite que elementos químicos livianos como el hidrógeno se muevan hacia la exobase, el límite inferior de la exosfera, donde los gases pueden alcanzar una velocidad de escape, ingresando al espacio exterior sin impactar con otras partículas de gas. . Este tipo de pérdida de gas de un planeta al espacio se conoce como viento planetario. Los planetas con atmósferas bajas calientes podrían resultar en atmósferas superiores húmedas que aceleran la pérdida de hidrógeno.

Historia de la teoría del ciclo hidrológico

Masa de tierra flotante

En la antigüedad, se pensaba ampliamente que la masa de tierra flotaba sobre una masa de agua y que la mayor parte del agua de los ríos tiene su origen debajo de la tierra. Se pueden encontrar ejemplos de esta creencia en las obras de Homero (alrededor del 800 a. C.).

Biblia hebrea

En el antiguo Cercano Oriente, los eruditos hebreos observaron que aunque los ríos desembocaban en el mar, el mar nunca se llenaba. Algunos eruditos concluyen que el ciclo del agua se describió completamente durante este tiempo en este pasaje: "El viento va hacia el sur y gira hacia el norte; da vueltas continuamente, y el viento vuelve de nuevo según sus circuitos. Todos los ríos corren al mar, y el mar no se llena; al lugar de donde vienen los ríos, allí vuelven otra vez” (Eclesiastés 1:6-7). Los eruditos no están de acuerdo en cuanto a la fecha de Eclesiastés, aunque la mayoría de los eruditos apuntan a una fecha durante la época del rey Salomón, hijo de David y Betsabé, "hace tres mil años, hay cierto acuerdo en que el período de tiempo es 962-922 a.Además, también se observó que cuando las nubes estaban llenas, derramaban lluvia sobre la tierra (Eclesiastés 11:3). Además, entre 793 y 740 a. EC, un profeta hebreo, Amós, declaró que el agua proviene del mar y se derrama sobre la tierra (Amós 5:8).

En el Libro Bíblico de Job, fechado entre los siglos VII y II a. C., hay una descripción de la precipitación en el ciclo hidrológico, "Porque él hace pequeñas las gotas de agua: derraman lluvia según su vapor; lo que hacen las nubes derrama y destila abundantemente sobre el hombre" (Job 36:27-28).

Precipitación y percolación

En el Adityahridayam (un himno devocional al Dios Sol) del Ramayana, una epopeya hindú que data del siglo IV a. C., se menciona en el verso 22 que el Sol calienta el agua y la envía en forma de lluvia. Alrededor del año 500 a. C., los eruditos griegos especulaban que gran parte del agua de los ríos se puede atribuir a la lluvia. Para entonces también se conocía el origen de la lluvia. Sin embargo, estos eruditos mantuvieron la creencia de que el agua que se elevaba a través de la tierra contribuía en gran medida a los ríos. Los ejemplos de este pensamiento incluyeron a Anaximandro (570 a. C.) (quien también especuló sobre la evolución de los animales terrestres a partir de los peces) y Jenófanes de Colofón (530 a. C.). Eruditos chinos como Chi Ni Tzu (320 a. C.) y Lu Shih Ch'un Ch'iu (239 a. C.) tenían pensamientos similares.La idea de que el ciclo del agua es un ciclo cerrado se puede encontrar en las obras de Anaxágoras de Clazomenae (460 a. C.) y Diógenes de Apolonia (460 a. C.). Tanto Platón (390 a. C.) como Aristóteles (350 a. C.) especularon sobre la percolación como parte del ciclo del agua. Aristóteles planteó correctamente la hipótesis de que el sol desempeñó un papel en el ciclo hidráulico de la Tierra en su libro Meteorología, al escribir: "Por su acción [del sol], el agua más fina y dulce es transportada todos los días y se disuelve en vapor y sube a las regiones superiores, donde se condensa de nuevo por el frío y así regresa a la tierra.”, y creía que las nubes estaban compuestas de vapor de agua enfriado y condensado.

Precipitación sola

Hasta la época del Renacimiento, se pensaba que las precipitaciones por sí solas eran insuficientes para alimentar los ríos, para un ciclo completo del agua, y que las aguas subterráneas que empujaban hacia arriba desde los océanos eran los principales contribuyentes al agua de los ríos. Bartolomé de Inglaterra sostuvo este punto de vista (1240 EC), al igual que Leonardo da Vinci (1500 EC) y Athanasius Kircher (1644 EC).

El primer pensador publicado en afirmar que la lluvia por sí sola era suficiente para el mantenimiento de los ríos fue Bernard Palissy (1580 d. C.), a quien a menudo se le acredita como el "descubridor" de la teoría moderna del ciclo del agua. Las teorías de Palissy no fueron probadas científicamente hasta 1674, en un estudio comúnmente atribuido a Pierre Perrault. Incluso entonces, estas creencias no fueron aceptadas en la corriente principal de la ciencia hasta principios del siglo XIX.