Calor e Padrões de Calor e Padrões de CirculaçãoCirculação
Curso: Teoria e Métodos em LimnologiaEPAMIG, 29 de Janeiro a 1 de fevereiro, 2008
Prof. José Fernandes Bezerra Neto Prof. Ricardo Motta Pinto Coelho
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
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.
Propriedades físico-químicas da água
As moléculas de água são dipolares:
H H
O
-
104.5°
Estas pontes de hidrogênio se formam e quebram a uma taxa que é determinada pela temperatura da água
Ocorrendo ligações de pontes de hidrogênio:
Formam um tetraedro quando congelam
Temperatura Temperatura (ºC)(ºC)
Densidade da água Densidade da água (g.cm(g.cm-3-3))
100100 0,9580,9582525 0,9970,9971010 0,9990,99944 1,0001,00000 0,9170,917
Anomalia da densidade da água mantém a vida na Terra
A densidade da água diminui com a elevação da temperatura, a partir dos 4 C. Abaixo dessa temperatura existe um subto decréscimo da densidade e a fase sólida (gelo) possui a menor densidade da água na faixa de 0-30 C, ou seja, aprox. 0,917 g.ml-1. Esse fenômeno é muito importante para a manutenção da vida na biosfera!
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:
Kalff 2002
Será que o calor mostra o mesmo padrão?
% of surface light
0
5
10
15
20
25
30
35
0 25 50 75 100
dept
h (m
)
Não!
Pro
fund
idad
e (m
)
5 10 15 20 25 30
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Temperatura (°C)
Epilímnio
Hipolímnio
MetalímnioTermoclina
EpilímnioCamada superiorQuente (menos densa)Bem misturado
HipolímnioCamada inferiorFrio (mais densa)Sem luz
Duas massas de água separadas onde há pouca mistura
TERMOCLINA
A condição em que, na coluna de água, observa-se que duas camadas não se misturam é conhecida como
ESTRATIFICAÇÃO TÉRMICA
Estabilidade é a probabilidade que um lago estratificado permaneça estratificado. Ela irá depender da diferença de densidade entre as duas camadas
(1) Relações de densidade da água
Porque os lagos se estratificam e desestratificam?
Água menos densa “flutua” sobre a água das camadas mais profundas (mais densas)
(2) Efeito do ventoA difusão molecular do calor é lento, o vento precisa misturar o calor para as águas mais profundas
Porque os lagos se estratificam e desestratificam?
= 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.
O vento e a mistura da coluna de água
Prof
undi
dade
Temperaturax
x
x
x
O perfil de temperatura deveria se parecer com o perfil de luz – ao menos em um dia perfeitamente calmo
Temperatura – dia calmoTemperatura – dia calmo
Prof
undi
dade
Temperaturax
x
x
x
• 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
xx
Temperatura – dia com ventoTemperatura – dia com vento
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
- A morfometria do lago
- Geografia
- A claridade da água
- Clima
Os padrões de mistura podem ser influenciados por:
Um lago com a profundidade máxima de 4m pode estratificar se ele está numa bacia protegida
Lago BullheadÁrea = 0.02 km2
Fetch < 300 m
0
1
2
3
4
0 10 20 30Temperature (C)
Um lago com a profundidade máxima de
12m pode circular constantemente se o
fetch é longo o bastante
Lago Oneida, NYÁrea = 207 km2
Fetch = 33 km
22 August 1993
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15 20 25 30
Temperature (C)
Dep
th (m
)
5 10 15 20 25 30
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Temperatura (°C)
Pro
fund
idad
e (m
)
(1) Verão
O epilímnio é aquecido
O hipolímnio está isolado
Forte estratificação térmica
Como os lagos estratificam?
Variação anual
5 10 15 20 25 30
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Temperatura (°C)
Pro
fund
idad
e (m
)
(2) Outono
A Termoclina torna-se mais profunda e a temperatura do epilímnio diminui
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
Como os lagos estratificam?
Variação anual
Como os lagos estratificam?
Variação anual 5 10 15 20 25 30
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Temperatura (°C)
Pro
fund
idad
e (m
)
(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
5 10 15 20 25 30
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Temperatura (°C)
Pro
fund
idad
e (m
)
(4) Primavera
Dias longos e quentes significam que mais calor é transferido para a superfície da água
A superfície da água é aquecida mais rapidamente do que o calor possa ser distribuído pela mistura
Como os lagos estratificam?
Variação anual
5 10 15 20 25 30
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Temperatura (°C)
Pro
fund
idad
e (m
)
(5) Final da primavera
Com o estabelecimento da diferença de densidade, o epilímnio “flutua” sobre o hipolímnio
Como os lagos estratificam?
Variação anual
Wind
Hipolímnio
MetalímnioEpilímnio
-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
Padrões de circulação em lagos estratificados
isotermas
Como podemos representar os parões sazonais em apenas um gráfico?
Diagrama profundidade-tempo
Wetzel 2001
A estratificação térmica em um lago tropical
Diagrama profundidade-tempo da temperatura da água (ºC) na Lagoa do Nado,MG.
1999 2000
O N D J F M A M J J A S
Pro
f. (m
)
1
2
3
4
5
6
18,0 18,5 19,0 19,5 20,0 20,5 21,0 21,5 22,0 22,5 23,0 23,5 24,0 24,5 25,0
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 biogênicaMeromixia ectogênicaMeromixia crenogênica
Padrões de mistura
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
Kalff 2002
Lago Meretta, CA
Holomíticos: os lagos circulam completamente
Lagos monomíticos quentes — um período de mistura
Estratificação térmica no verãoNão congelam e apenas misturam no inverno
Kalff 2002
Holomíticos: os lagos circulam completamente
Lagoa Carioca, MG
Representação diagramática de um regime de mistura monomítico quente
Verão
Outono
InvernoPrimavera
Dimíticos— dois períodos de mistura e dois períodos de estratificação
Congelado no inverno (estratificação inversa)Estraificado no verão
Wetzel 2001
Holomíticos: os lagos circulam completamente
Representação diagramática de um regime de mistura dimítico
Lagos polimíticos — misturam muitas vezes durante o ano
Holomíticos: os lagos circulam completamente
Podem estratificar por dias ou semanas, mas estratificam mais de uma vez
durante o ano
Meromíticos: lagos que são quimicamente estratificados
Monimolímnio
Mixo
límni
o
Termoclina
Quemoclina
Lago Tanganyika
Exemplos de meromixia — entrada de sais devido à atividade biológica (decomposição)
Zm > 1400 mÁrea = 32,000 km2
Muitos anos de
Mistura incompleta
Sonda YSITemperatura e OD
Sensores para coleta de dados
Sonda de múltiplos parâmetros YSI
Monitoramento Intensivo em Tempo RealMonitoramento Intensivo em Tempo Real
Estratificação térmica e estratificação química de lagos