Ciclo interno del agua

TEMA 1: El agua

El ámbito de estudio del agua es la hidrología. Tanto la marina (oceanografía): oceanografía física, oceanografía biológica y geología o Geofísica marina; como la continental: potamología, limología, hidrogeología y glaciología.

El agua es una sustancia forma por un volumen de oxígeno y dos de hidrógeno. Es líquida, inodora, insípida, en pequeñas cantidades incolora y verdosa o azulada en grandes masas. Es el campo más abundante de la superficie terrestre. Forma las fuentes ríos, lagos, mares y océanos.

Es una molécula disimétrica pero estable, tiene una gran cohesión por las redes tridimensionales. Es una sustancia que originalmente abunda en la naturaleza en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Se caracteriza, además, por ser líquido a temperatura ambiente cuando debería ser un gas.

Otra propiedad que presenta es que es menos densa en estado sólido, por lo que flota sobre el agua en estado líquido. Otra propiedad es su elevada tensión superficial, lo que puede determinar que su carga eléctrica este neutralizada.

Además disuelve una gran variedad de sólidos  pero no reacciona químicamente con ellos (los transporta, realiza el lavado y arrastre de residuos). Por esto, es fácilmente contaminable pero también se puede purificar. Por tanto, tiene una capacidad de disolución y solubilidad. También tiene elevada capacidad humectante (capacidad para adherirse y recubrir un sólido).

Tiene capilaridad, asciende por los poros del suelo, lo que le hace ascender por las plantas. Tiene gran inercia térmica (=calor específico): tarda mucho en enfriarse y calentarse. La temperatura (en estado líquido) es la más adecuada para los procesos vitales y es el factor primordial para la distribución del calor por todo el planeta → Calor latente.


  • Estado líquido

La temperatura favorece a que haya menos enlaces de hidrógeno entre los grupos de moléculas de agua, y éstas pueden moverse con más libertad.

Al descender la temperatura, el puente de hidrógeno hace que las moléculas adopten una red tridimensional con una estructura hexagonal muy ordenada y con huecos. Las moléculas están más dispersas que cuando están en estado líquido, lo que hace que ocupen un mayor volumen (más denso). La masa de las moléculas de agua no cambia. Si aumenta el volumen y se mantiene la masa, disminuye la densidad.

  • Estado gaseoso

Al ascender la temperatura, asciende la energía de estas moléculas por lo que las moléculas se mueven más rápido por lo que termina por romper el puente de hidrógeno formando el vapor de agua

El vapor de agua tiende a ocupar el mayor espacio posible. El grado de ebullición varía con la presión: a nivel del mar (=100ºC), picos de Europa (=90ºC) y Everest (70ºC).

  • Cambios de estado

Estado sólido ← Estado líquido = Congelación

Estado sólido → Estado líquido = Fusión

Estado líquido → Estado gaseoso = Evaporación

Estado líquido ← Estado gaseoso = Condensación

Estado sólido → Estado gaseoso = Sublimación

Estado sólido ← Estado gaseoso = Sublimación inversa


  • La hidrosfera

Alrededor del 70% de la superficie terrestre está cubierta por agua (= 1380 millones km3). El cuerpo humano contiene algo más de un 60% de agua. Durante la gestación, el embrión se compone de un 95% de agua. Pocas semanas después del nacimiento un 80% de agua. A los tres meses de nacimiento se compone de un 64% que se mantiene el resto de la vida.

Hay agua bajo la corteza terrestre pero no es accesible. Hay mayor porcentaje de agua salada que de agua dulce. El agua dulce se encuentra en glaciares y casquetes polares (69%), agua subterránea (30%) y en lagos ríos y atmósfera (0,3%).

Hay un 3% de agua dulce de la cual el 75% es hielo y el 25% líquido (el 98% es subterránea y solo 1% es accesible).

El volumen de agua no ha variado desde el Precámbrico. Las variaciones del nivel del mar se han producido por los cambios de estado de las fases del agua. Estas variaciones del nivel del mar se sabe que se han producido antes en el hemisferio sur que en el hemisferio norte. Además, tiene una gran repercusión sobre la desembocadura de una cuenca hidrográfica y sobre todo los litorales ya que afecta a los recursos que hay en los mismos.

El Eutatismo es un fenómeno del cambio climático por el cual se funde el hielo por el ascenso de las temperaturas. Siempre se calcula que hay una mayor subida del nivel del mar mayor a la que al final se comprueba que se ha producido. Esto se debe al fenómeno denominado Isostasia, elevación de una zona continental al fundirse parte del hielo que hay depositado en la corteza, lo que hace que esta zona continental pese menos y se eleve.

Por eso, las variaciones del nivel del mar son relativas.


  • El ciclo hidrológico

Explica las variaciones del océano, la tierra y la atmósfera. Los agentes que producen estas variaciones en el ciclo higrológico son la energía solar y la gravedad. El agua dulce se purifica y se recicla de manera constante. En este ciclo solo interviene un 0,15% del agua del planeta. De este porcentaje el 51% es evapotranspirada, el 39% es escorrentía y el 10% filtrada.

En este ciclo se consume cerca de la cuarta parte de energía solar de la tierra.

Las moléculas de agua presentan un tiempo de residencia potencialmente largo dependiendo donde se encuentran:

  • Océanos: 3000 años
  • Atmósfera: 8-10 días
  • Glaciares, casquetes: miles de años
  • Lagos (agua salada): 150 años
  • Lagos (agua dulce):10 años
  • Ríos: 15 a 20 días
  • Humedad del suelo: semanas a años
  • Agua subterránea: decenas de miles de años

El ciclo hidrológico no es perfectamente cerrado, se producen pérdidas: las plantas son capaces de sintetizar productos orgánicos y oxígeno a partir de los componentes del agua y dióxido de carbono. Y se producen ganancias: “nacen” nuevas moléculas en forma de vapor de agua través de la respiración y combustiones. Esto genera variaciones en el ciclo.

El ciclo hidrológico produce:

  • Evaporación, condensación, congelación y fusión. → Representa un mecanismo de segregación de sales e isótopos, mantiene la distinción entre agua dulce y salada.



1879

1985

1º Abastecimiento de poblaciones

1º Abastecimiento de población

2º Abastecimiento de ferrocarril

2º Regadíos y usos agrarios

3º Riegos

3º Unos industriales para la producción de energía eléctrica

4º Canales de navegación

4º Otros usos industriales en los apartados anteriores

5º Molinos y otras fábricas, etc.

5º Acuicultura

6ºEstanque para viveros y criaderos de peces

6º Usos recreativos

7º Navegación y transporte acuático

8º Otros aprovechamientos

TEMA 13: Los recursos energéticos. Las energías renovables

En España el peso de las energías renovables es muy pobre, apenas un 6%. El gran problema no es la producción de energía sino el almacenaje.

Greenpeace 2006: el techo de potencia obtenido con tecnologías renovables a nivel peninsular podría constituir 122 veces la demanda eléctrica punta proyectada para el año 2050.

El papel fundamental que desempeñan las fuentes de energía en el mundo actual viene determinado por dos factores:

  • 1.- La energía debe estar disponible estar disponible constantemente allí donde se utiliza y consume.
  • 2.- Los precios energéticos influyen decisivamente en el desarrollo energético.

Las energías renovables pese a no ser actualmente competitivas respecto a las no renovables tienen ventajas respecto a éstas:

  • Permiten el suministro energético de lugares aislados.
  • En general, son mucho menos degradantes  para el medio ambiente.
  • Recursos energéticos del mar

La energía del viento


La energía de los vientos es la energía solar modificada. Los rayos caloríficos calientan las masas de aire y las ponen en movimiento (energía cinética). Aproximadamente el 2% de la energía solar se disipa en una capa atmosférica de 1 km de espesor, justo encima de la superficie terrestre.

La mayoría de las zonas favorables están situadas en las costas, propiciado por el régimen de brisas de tierra-mar y, en ciertas latitudes, en alta mar.

Por ejemplo: parques eólicos ubicados en plataformas marítimas a cierta distancia de las costas. Se denomina offshore wind parks. Actualmente las distancias de la costa, llegan hasta los 20 km.


Factores favorables para el desarrollo de los offshore wind parks:

  • Usos del suelo: no presentan limitaciones, ni problemas de ocupación de espacios naturales, etc…
  • Contaminación acústica: no ha problemas con el impacto sonoro, por el que los aerogeneradores pueden girar a mayor velocidad. En aplicaciones terrestres, la velocidad de la pala se limita unos 65 m/s, mientras que en la marítima alcanzan entre 80 a 90 m/s
  • Superficie libre de obstáculos: el mar presenta una baja rugosidad superficial,
  • Descenso de los costes de inversión: la construcción de los aerogeneradores en el mar origina un sobrecosto que es compensado con la disminución de la altura de las torres. La menor turbulencia y rugosidad superficial hacen que la velocidad del viento aumente más rápido, por lo que las torres de instalaciones marítimas pueden ser más bajas.
  • Descenso de los costes de mantenimiento: los aerogeneradores tienen un menor desgaste, aumentando así su vida útil. La turbulencia del viento es mucho menor en el mar debido a la ausencia de obstáculos.

Requerimientos para la instalación de parques eólicos marítimos: paso de ciclones y tormentas, reservas de minerales (petróleo), usos militares, actividad pesquera, aspectos medioambientales (pasos de aves migratorias y zonas de pesca), tráfico aéreo, tráfico marítimo, derecho de estados vecinos sobre el mar, explotaciones del turismo, comunicación submarina y cables de potencia y corrientes submarinas.

La Cornisa Cantábrica no es apropiada para implantar parques eólicos marinos ya que la plataforma continental es muy estrecha y en seguida se alcanzan grandes profundidades. Sin embargo, algunos bancos de arena si serían especialmente idóneos pata la eólica marina. Además, el viento es frecuente y fuerte, lo que hacen que los emplazamientos deban ser estudiados con interés.


La energía de las mareas


Es de las más antiguas que se conocen (S. XIV en Gran Bretaña). Su origen viene por el aprovechamiento de la energía liberada por el agua de mar en sus movimientos de ascenso y descenso de las mareas. Se estima que la energía disipada por las mareas es de aproximadamente 22000 TWh. Tiene una dificultad que es que hay que estar esperando en la pleamar y bajamar. Los estuarios son idóneos para este tipo de aprovechamiento.

Ventajas: energía renovable, limpia y predecible.

Inconvenientes: el mar y el embalse quedan incomunicados, el fondo del embalse se descompone, alteración de los ecosistemas del estuario, los de mayor potencial, lenta recuperación (décadas), variaciones en las corrientes de marea, aceleración de la sedimentación cerca del embalse y sólo es aprovechada comercialmente con mareas mayores a 5-6 metros e incluso 10.

La energía de las corrientes


Una energía en proceso de estudio. Las técnicas potenciales de conversión son análogas a la energía eólica: mediante turbinas con palas. Gracias a que es permanente tiene un gran interés.

La energía cinética de las corrientes es enorme: la corriente del Golfo (mueve 3.000.000 m3/s a velocidades de casi 3 nudos). Los estrechos de Gibraltar y de Bab el Mandab (Mar rojo) conducen corrientes producidas por altas tasas de evaporación, que aunque con menor caudal, es más fácil el encauzamiento.

Las turbinas son como los molinos de viento sumergidos. Se instalan en el mar, en lugares donde las corrientes de marea presentan altas velocidades. Estas corrientes tienen la gran ventaja de ser un recurso energético predecible como las mareas.

Hay un proyecto piloto de este tipo de energía en Europa: Seaflow.


La energía de los gradientes térmicos


Una gran parte de la energía solar que incide sobre la tierra es almacenada en forma de calor en la superficie del océano. En la zona entre los Trópicos (0 casi 1/3 de extensión oceánica) la superficie del mar presenta una diferencia de temperatura, respeto al fondo, superior a 18ºC.

La fuente de energía es la energía maremotérmica. La energía maremotérmica se debe, pues, a las diferencias de temperaturas existentes en las diversas capas de la masa de agua oceánica. En general, las zonas profundas del mar suelen ser frías, con una temperatura aproximadamente constante de 4ºC. En la superficie, la temperatura es variable (puede ser inferior a 0ºC en ciertas zonas polares, pero bajo los trópicos no sobrepasa los 30ºC.

Es precisamente en estas regiones donde mejores serían los rendimientos eventuales de una central de conversión térmica. No obstante, deben darse unas condiciones para poder aprovechar la energía térmica oceánica:

  • La diferencia de temperatura entre aguas profundas y superficiales no supere los 18º.20ºC.
  • Las cuencas marinas tiene que ser lo bastante profundas para que la fuente fría esté a la temperatura (baja) adecuada. El Mar Rojo o el Golfo Pérsico, por ejemplo, no son adecuados ya que no tiene la profundidad suficiente.

Por tanto, los mejores legares son oceánicos.

Las centrales maremotérmicas consisten en un máquina térmica en la que el agua superficial actúa como fuente de calor, mientras que el agua extraída de las profundidades actúa como refrigerante. Las ventajas de esta energía es que no es un salto térmico permanente y benigno desde el punto de vista medioambiental. Además de que produce alimentos ya que el agua fría profunda es rica e sustancias nutritivas y también produce agua potable limpia ya que el agua profunda no tiene patógenos.


Energía de los gradientes salinos


Aprovechan la energía del gradiente de salinidad en agua de diferente concentración salina.

Ley de Fick: consiste, por ejemplo, cuando al abrir un frasco de colonia podemos olerlo rápidamente y las moléculas del líquido después de evaporarse se difunden por el aire, distribuyéndose por todo l espacio circundante.Es lo mismo que si colocamos un terrón de azúcar en un vaso de agua, las moléculas de sacarosa se difunden por todo el agua. Por tanto para que haya difusión las moléculas deben ser diferentes.

Ósmosis: si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable (deja pasar el disolvente pero no el soluto) se produce el paso de la solución más diluida a la más concentrada, hasta que las dos soluciones tengan la misma concentración.

En situaciones en las que existen gradientes, de concentración de una sustancia o de temperatura, se produce un flujo (de partículas o de calor) que tiende a homogenizar la disolución y uniformizar la concentración la temperatura.

Se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable.

El encuentro entre el agua dulce y la salada produce una energía limpia y renovable.

En Noruega y Holanda han empezado proyectos para extraer la energía resultante de la uníón del agua dulce de ríos o lagos y la salada del mar. Sin embargo, todavía resulta económicamente inviable.


La energía de la biomasa;
El término biomasa hace referencia a la cantidad de materia viviente que está presente en el ecosistema (materia animal y materia vegetal).

Se cultiva fitoplancton para obtener biocombustibles. Se tiende a desarrollar productos que sustituyan a los combustibles fósiles.

Estas nuevas tecnologías combinan: la explotación de las propiedades de las algas marinas genéticamente modificada y métodos de crecimiento.

CO2 + O2 del mar: Fotosíntesis en plantas marinas = Carbón orgánico 8transformación en gases: metano)

1 tonelada de materia orgánica = 400 m3 de metano

  • Recursos minerales

  • Plataforma continental: a partir de aportes continentales, upwelling y zonas de sedimentación. Se sacan minerales de alto valor. Aportes continentales: Yacimiento asociado al agua de escorrentía (diamante, yacimientos clásticos o placeres). El upwelling: se produce con el ascenso de aguas frías y muy densas. Ricas en minerales disueltos.

Zonas de sedimentación: extracción de arenas, guijarros y granos. Sustituyen al aprovechamiento de los ríos (se evita la contaminación de las capas freáticas. Los minerales que se extraen se destinan para la construcción. Se suelen explotar calizas también en zonas de acantilados.

  • Fondos marinos: manantiales calientes, nódulos polimetálicos y depósitos de azufre.

Manantiales calientes: la mineralización en los fondos marinos tienen un ritmo muy lento, salvo a determinados puntos como las dorsales medio-oceánicas que son los manantiales calientes. El agua caliente disuelve importantes cantidades de sales metálicas y sube a manantiales hirvientes. En las proximidades del manantial se depositan importantes cantidades de compuestos metálicos. Se tiene que producir saturación del medio para que se depositen.

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