LOS SISTEMAS FLUIDOS TERRESTRES EXTERNOS HIDROSFERA

LOS SISTEMAS FLUIDOS TERRESTRES EXTERNOS HIDROSFERA

TEMA 5: LA HIDROSFERA. Concepto. Distribución del agua en la Tierra. El ciclo del agua. Balance hídrico general.

Conceptos básicos: compartimentos de la hidrosfera, precipitación, escorrentía, evapotranspiración, infiltración, porosidad, permeabilidad.

La hidrosfera es el subsistema de la Tierra constituido por el conjunto del agua en sus tres estados:

líquido, que incluye aguas subterráneas, mares, océanos, lagos, ríos y otras masas de agua superficial;

sólido, que origina casquetes polares, glaciares, cuerpos de hielo flotantes en el mar, etc., y gaseoso, que es el vapor de agua atmosférico. Dentro de la hidrosfera también está incluida el agua que forma parte de los seres vivos.

La hidrosfera se originó por la condensación y solidificación del vapor de agua presente en la atmósfera durante las primeras etapas de la historia de la Tierra. Este vapor de agua procedía de la gran actividad volcánica de la Tierra, aunque también se debe considerar el aporte de agua extraterrestre en forma de cometas. A medida que el planeta se fue enfriando, se produjo la condensación y solidificación del vapor de agua atmosférico, dando lugar a precipitaciones muy intensas que llenaron de agua las zonas más bajas de la superficie formando los océanos y los mares.

La hidrosfera está estrechamente relacionada con otros subsistemas como la atmósfera, la geosfera y la biosfera con los que interactúa. Es una cubierta dinámica, con continuos movimientos y cambios de estado, que regula el clima, participa en el modelado del relieve y hace posible la vida sobre la Tierra, ya que el agua es imprescindible para los seres vivos al facilitar la interacción del resto de biomoléculas. Las interacciones de la Hidrosfera con los restantes subsistemas terrestres se pueden resumir en lo siguiente:

• Interacciones con la atmósfera:

1. El ciclo del agua es la más importante. Se produce gracias a la energía del Sol, que arranca moléculas en estado gaseoso de la superficie terrestre, y a la fuerza de la gravedad, que devuelve a la superficie el agua previamente evaporada. El ciclo del agua es un importantísimo sistema de reparto de materia y energía que permite la llegada de agua dulce a los continentes y la regulación de los climas.

2. Las corrientes oceánicas también interactúan con la atmósfera al llevar calor de las zonas de mayor insolación a las más frías (corrientes cálidas) y al refrigerar las zonas cálidas (corrientes frías).

Contribuyen, por tanto, a regular los climas terrestres.

3. Las composiciones de ambos subsistemas varían al interactuar ambos: las masas de agua reciben CO

atmosférico y eso las hace más ácidas; la atmósfera recibe distintas sales del spray marino que pueden actuar como núcleos de condensación de nubes.

• Interacciones con la geosfera:

1. El modelado terrestre es la más importante: las aguas superficiales meteorizan, erosionan, transportan y depositan toneladas de materiales cada año haciendo cambiar el paisaje.

2. Dentro del modelado también hay que incluir al litoral y a los fondos oceánicos, de su modelado se encarga la dinámica oceánica.

3. La geosfera ha aportado y sigue aportando sales a los océanos, por lo que se puede considerar

responsable de su salinidad actual.

4. El ciclo hidrológico interno, por el que el agua se incorpora al interior terrestre por las zonas de subducción y escapa de la geosfera por los volcanes.

• Interacciones con la biosfera:

1. La existencia de agua líquida es lo que ha permitido el desarrollo de la vida tal como la conocemos.

2. La vida ha cambiado a la hidrosfera de diversas formas: la fotosíntesis realizada por las aguas retira CO

y contribuye a que suba el pH del agua; ello a su vez permite la sedimentación de las calizas en los fondos oceánicos. La acumulación de conchas también origina estratos de rocas calizas en esos fondos. Los arrecifes de coral permiten la formación de zonas resguardadas en las que la tasa de evaporación y, por tanto, de sedimentación, también es mayor, con unas condiciones físico-químicas particulares.

Distribución del agua en la Tierra

El volumen total de agua en la hidrosfera se calcula en 1.358 millones de km

, cantidad que se considera constante desde su origen (con ligeros aportes procedentes de meteoritos y volcanes y pérdidas en zonas de subducción). No está distribuida de manera uniforme sobre la superficie terrestre. Se pueden considerar varios compartimentos:

• Océanos y mares, formados por agua salada, constituyen el 97% del total.

• El resto (3%) es agua dulce, que se distribuye del siguiente modo:

• Hielo: 77%

• Aguas subterráneas: 22%

• Aguas superficiales: 1%, de las cuales:

• Lagos: 50%

• Suelo: 38%

• Atmósfera: 10%

• Seres vivos: 1%

• Ríos: 1%

La mayor parte del agua del planeta se encuentra en océanos y mares (97%); es agua salada (35 g/l de salinidad media) y no es válida para la agricultura ni para el consumo humano. Esta concentración puede disminuir con los aportes de agua dulce procedente de las lluvias o de la escorrentía, y puede aumentar por la evaporación, la formación de hielo o el vulcanismo. El agua continental, en cambio, tiene una concentración salina baja: se consideran aguas dulces las que contienen como máximo 1 gramo de sales disueltas por litro (1 g/L). Su salinidad procede del lavado del terreno por el que discurren y de la atmósfera, por las precipitaciones. Existe un agua intermedia entre ambas, denominada agua salobre, con una concentración de sales entre 1 y 30 g/L y su posible uso está directamente relacionado con la concentración. La naturaleza y cantidad de las sales depende de la naturaleza del sustrato geológico. En general, la sal más abundante en el agua dulce es el hidrógeno carbonato de calcio (Ca(HCO

)

), que caracteriza este tipo de agua, y los iones más abundantes son CO

, HCO

, SO

, Cl

, Ca

, Mg

, K

y Na

. El agua oceánica se caracteriza por el cloruro de sodio (NaCl) y los iones más abundantes son Cl

, Na

, SO

, Mg

, Ca

, K

y HCO

.

OCÉANOS Y MARES

El conjunto de todos los mares y océanos tiene una profundidad media de unos 3.800 m. La

profundidad de las aguas oceánicas influye directamente en el grado de iluminación: la luz sólo alcanza a las

zonas más superficiales que constituyen la zona fótica, único lugar en el que puede tener lugar la fotosíntesis y la vida puede ser relativamente abundante. Por debajo de 100-150 metros comienza la zona afótica en la que la oscuridad es total y la vida muy limitada.

La dinámica de las aguas oceánicas está determinada por sus características físico-químicas, entre las que estudiaremos su composición, temperatura, contenido en O

y densidad.

Debido al alto poder de disolución del agua, en el mar existe una gran cantidad y variedad de iones disueltos, entendiéndose como salinidad del agua la cantidad de sales disueltas en ella, que suele expresarse en gramos por kilogramo de agua, es decir, en tanto por mil. Dichas sales proceden de la escorrentía en los continentes y de las emisiones de vulcanismo submarino. La salinidad del agua oceánica suele oscilar entre el 33 y el 38 por mil, aunque en casos excepcionales puede ser inferior o superior a estos valores y sus variaciones son debidas a diversas causas, como por ejemplo: la formación de hielo, la evaporación, el vulcanismo submarino, las precipitaciones, los aportes de agua dulce continental y el consumo de sales (especialmente carbonato de calcio) por determinados organismos.

La temperatura del agua oceánica varía, tanto en la horizontal (es decir, según la latitud) como en la vertical (es decir, según la profundidad). En superficie, la temperatura del agua oceánica es un reflejo de la temperatura de la atmósfera en contacto con ella, depende de la zona climática. Las variaciones en vertical se deben a que las radiaciones solares son absorbidas en los primeros tramos, por lo que la temperatura disminuye con la profundidad. En los océanos de latitudes medias y bajas, se pueden distinguir tres capas superpuestas:

• Capa superficial: es una zona afectada por la temperatura atmosférica y sometida a una intensa radiación solar, que actúa todo el año en latitudes bajas y en verano en latitudes medias. Esta capa cálida presenta un grosor de 200-500 m, con una temperatura que puede variar de 12 a 30

C según sea la latitud.

• Termoclina: recibe este nombre una capa, situada inmediatamente debajo de la capa cálida, en la que el descenso de temperatura con la profundidad es muy abrupto. Sus límites son extremadamente variables, según la latitud y la estación del año.

• Agua profunda: se trata de una zona fría donde la temperatura sigue descendiendo con la profundidad, pero muy lentamente.

La presencia de la termoclina hace que las aguas de los océanos estén estratificadas, es decir, las aguas del fondo (más frías) no se mezclan con las superficiales (más calientes). La termoclina actúa como una auténtica barrera física.

La densidad del agua de mar es algo mayor que la del agua pura, variando en proporción directa con la salinidad y en proporción inversa con la temperatura. De estos dos factores, tiene una mayor incidencia la temperatura, por lo que el agua más densa es la de los mares polares y la menos densa la de las zonas ecuatoriales. La distinta densidad de las masas de agua provoca su desplazamiento, tanto en la horizontal como en la vertical, de manera que las más densas se colocan por debajo de las más ligeras. Así, las variaciones de densidad constituyen un factor determinante de la dinámica oceánica. Junto con la fuerza de Coriolis (debida al giro de la Tierra hacia el Este) origina las corrientes oceánicas. La corrientes debidas a la diferencia de temperatura y densidad se denominan corrientes termohalinas y conectan unos océanos con otros transportando materia y energía.

La distribución vertical de oxígeno en el agua resulta de su difusión a partir de la superficie y de la actividad de los organismos. La fotosíntesis del fitoplancton produce un máximo en la zona iluminada, cerca de la superficie. A nivel del fondo, donde se degrada la materia orgánica, suele encontrarse el mínimo.

Los océanos son grandes sumideros de CO

, ya que este reacciona con el agua dando ácido carbónico, que se disocia en los iones carbonato (CO

) y bicarbonato (CO

H

). Las algas absorben CO

en la fotosíntesis, permitiendo al agua absorber más CO

de la atmósfera, CO

que es devuelto al agua al descomponerse las algas tras morir. En cambio, al morir los animales con esqueleto de carbonato cálcico, el CO

de este se acumula como un sedimento calcáreo que terminará originando rocas calizas.

GLACIARES

Los glaciares son grandes masas de hielo que permanecen sin fundirse mucho tiempo (hasta miles

de años) y que se originan a partir de la nieve caída y acumulada año tras año. Para que existan glaciares en

una zona es necesario que haya precipitaciones en forma de nieve y que se mantengan promedios de temperatura suficientemente bajos para que la nieve no funda. Esto sucede en zonas en las que no se superan los 0

C. Esta circunstancia depende de la latitud, de manera que en las zonas ecuatoriales se produce a partir de 5.000 m de altitud, mientras que en las zonas polares ocurre a nivel del mar (donde los glaciares reciben el nombre de casquetes polares, acumulaciones de hasta 4000 m de espesor que emiten lenguas hacia la periferia). Los glaciares avanzan lentamente hacia su zona de ablación, en la que se convierten en agua y ésta se incorpora a la circulación superficial o subterránea.

El hielo glaciar influye en gran medida en el equilibrio de la radiación y el calor del globo (recuérdese que los hielos aumentan el albedo y, por tanto, contribuyen a rebajar la temperatura de la Tierra) y constituye, además, una gran reserva de agua.

AGUAS SUBTERRÁNEAS

Las aguas subterráneas son las que proceden de la infiltración en el terreno de las aguas superficiales. Para que el agua se infiltre en el suelo, este debe ser permeable mediante grietas, fisuras o sus poros. Las zonas de suelo que permiten la infiltración del agua constituyen las áreas de recarga de las aguas subterráneas.

El agua que se infiltra en el terreno procedente de precipitaciones, deshielo, lecho de lagos o cauces de ríos circula por los poros de las rocas (los ríos y lagos subterráneos son raros y se limitan a zonas kársticas). Los poros son todos los huecos entre granos, las fisuras, grietas de disolución, vesículas de desgasificación, etc. Se define porosidad como la relación entre el volumen de poros y el volumen de roca;

depende del material y disminuye con la profundidad (se considera que a 4000 m ya no existen poros). Para que una roca transmita agua hace falta, por tanto, una alta porosidad pero, sobre todo, que sus poros estén conectados. Se define la permeabilidad de un material como la propiedad de dejar pasar fluidos a su través;

se expresa como una velocidad. La permeabilidad depende del tamaño de los poros y del grado de conexión entre ellos.

Las aguas subterráneas vuelven al exterior mediante evapotranspiración, a través de descargas como manantiales, o vierten a ríos, lagos o directamente al mar. Tienen una capacidad de renovación muy lenta.

AGUAS SUPERFICIALES LAGOS

Los lagos son acumulaciones provisionales de masas de agua dulce, salobre o salada, con extensión y profundidad variables, que ocupan depresiones de la superficie continental denominadas cubetas. El agua de los lagos procede del deshielo, de las lluvias, de arroyos, ríos o de aguas subterráneas, por lo que se renueva continuamente (aunque de forma lenta) y está destinada a desaparecer, ya sea por evaporación, drenaje o por colmatación.

Los lagos muy profundos presentan una estratificación del agua similar a la que se produce en el mar, aunque dicha estratificación se rompe durante el otoño y el invierno, desapareciendo la termoclina y mezclándose las aguas.

Los lagos son más susceptibles de contaminación que los ríos al tener una dinámica menor. Debido a

la evaporación van acumulando sales, por lo que su salinidad va progresivamente en aumento (especialmente en las cuencas endorreicas).

AGUA DEL SUELO

En este apartado se incluye al agua que permanece en el suelo tras la lluvia o el deshielo y que está a disposición de los vegetales antes de evaporarse o de circular hasta estratos profundos e incorporarse a un acuífero. Su cantidad es muy variable y depende del clima, del tipo de suelo, de la pendiente y de la estación, de manera que en un clima como el mediterráneo, con veranos muy secos, al final de los mismos los suelos son muy deficitarios en agua. Este hecho es una limitación importante para el desarrollo de muchas especies vegetales, pues deben adaptarse a esas condiciones de sequía.

AGUA ATMOSFÉRICA

Se incluye aquí el vapor de agua y el agua contenida en las nubes. La cantidad de vapor de agua de la atmósfera también es muy variable, aunque como norma general diremos que la evaporación aumenta con la insolación. Por otro lado, la temperatura del aire determina el estado en el que se encuentra el agua: masas de aire caliente admiten más vapor de agua, masas de aire frío admiten menos (es ellas el vapor de agua pasa a estado líquido y forma nubes o nieblas).

RÍOS Y OTROS CURSOS DE AGUA SUPERFICIALES

Los ríos son corrientes de agua superficial, con caudal y cauce permanentes, que se originan a partir de las aguas de escorrentía superficial (aguas salvajes o de arroyada, que discurren sin cauce fijo durante la lluvia, y torrentes, que se forman tras las lluvias y tienen cauce fijo pero caudal temporal), de la surgencia de aguas subterráneas o por la fusión de nieves y glaciares.

El agua es un recurso indispensable para el desarrollo de las civilizaciones humanas. De ella se utiliza sólo el agua dulce (que es el 1% del total) y de este agua dulce sólo se tiene acceso a un 2% (ríos, lagos y algo de aguas subterráneas).

El ciclo del agua

El agua que existe en la Tierra mantiene su volumen prácticamente constante aunque esté en continuo movimiento y cambie de estado. Esto se debe a un proceso, denominado ciclo hidrológico, que conecta todos los compartimentos de la hidrosfera y los relaciona con la atmósfera, la geosfera y la biosfera.

La energía que mueve el ciclo del agua procede del Sol, que es quien la evapora. Cuando el vapor de agua se condensa, cerca o lejos de su lugar de evaporación, libera esa energía, por lo que podemos decir que el ciclo del agua transporta energía de unos puntos a otros del planeta. La fuerza de la gravedad devuelve a la superficie el agua previamente evaporada.

El agua pasa de la hidrosfera a la atmósfera por evaporación gracias a la energía del sol. El agua que se incorporó a la biosfera, retorna a la atmósfera por evapotranspiración de las plantas y demás seres vivos.

En el concepto de evapotranspiración se incluye también el agua que retorna del suelo a la atmósfera, así

como la que se evapora desde la superficie de ríos, lagos, etc. Es decir, es toda el agua que retorna a la

atmósfera desde los continentes. En la atmósfera constituye el vapor de agua (gas). Al enfriarse, se condensa y se forman las nubes (agua líquida en forma de gotas tan minúsculas que pueden permanecer suspendidas;

estas gotas se forman alrededor de núcleos de condensación, generalmente constituidos por partículas de polvo; a veces las nubes están constituidas por cristales de hielo). Cuando las microgotas de agua se reúnen y forman gotas más grandes éstas ya no pueden permanecer en el aire y son atraídas por la gravedad terrestre: es lo que se conoce como precipitación. Con la precipitación el agua es devuelta a la tierra en forma líquida o sólida (lluvia, nieve, granizo, rocío, escarcha, niebla) y, a partir de ahí, puede seguir dos caminos:

✗ Una parte constituye la escorrentía superficial. El agua superficial o de superficie representa la parte del ciclo del agua en que el agua fluye sobre la superficie terrestre. Siempre que el agua se halle en la superficie, se puede clasificar como agua superficial. Por ejemplo, cuando la lluvia cae al suelo y comienza a correr, pasa de ser precipitación a ser agua de superficie. Cuando el agua subterránea brota a la superficie, como es el caso, por ejemplo, de los manantiales en la sierras, se denomina agua superficial. Parte del agua puede quedar retenida en lagos y glaciares, por lo que estos suponen una importante reserva de agua dulce que tarda mucho tiempo en ser devuelta al mar, aunque tarde o temprano terminará en algún océano. La escorrentía superficial se ve favorecida (en detrimento de la subterránea) por la pendiente, por los terrenos rocosos o suelos muy compactados, por los suelos desnudos sin vegetación (suelos impermeables en general) y por las lluvias torrenciales.

✗ Otra parte se infiltra atravesando las capas permeables del terreno, se incorpora a las aguas freáticas, dando lugar a la escorrentía subterránea, que circula lentamente hacia algún curso de agua superficial o hacia el mar. La infiltración se define como el movimiento del agua que atraviesa la superficie y penetra el perfil del suelo. El proceso de infiltración recarga los suministros de agua subterránea y pone agua a disposición de la vegetación. La escorrentía subterránea será mayor en terrenos llanos, porosos y permeables, cubiertos de vegetación y con lluvias abundantes y regularmente repartidas.

Toda el agua de la Tierra, tarde o temprano, es movilizada del lugar en el que está, si bien el tiempo

de permanencia en cada compartimento no es el mismo (tiempo de residencia). Así, se estima que una

molécula de agua sólo permanece en la atmósfera 8-10 días, en los ríos una media de 13 días, en los lagos

1-100 años, en los acuíferos subterráneos 300-5.000 años, en los océanos 3.500 años y en los glaciares

unos 8.000-15.000 años. Este hecho es importante porque si se contamina un océano, un glaciar o un

acuífero, la situación persistirá durante cientos o miles de años. Si se produce en un río, puede desaparecer

al cabo de pocos días o semanas, por el arrastre hacia el mar, donde se diluirá en las grandes cantidades de

agua marina.

El ciclo hidrológico es importantísimo porque regula la temperatura superficial de la Tierra, transporta materia y energía de unas zonas a otras, provoca la erosión de las rocas, traslada los sedimentos hasta las cuencas sedimentarias y descarga las aguas sobre los continentes de forma periódica.

Hemos descrito lo que clásicamente se conoce como ciclo del agua. Pero, matizando un poco más, podríamos considerar además un ciclo interno del agua (o parte interna del ciclo del agua). La parte interna del ciclo tiene lugar en el interior de la tierra, y es poco conocida; básicamente funciona de la siguiente manera: el agua sale del manto mediante vulcanismo en las dorsales oceánicas y otros volcanes; parte se incorpora a la corteza oceánica y vuelve a introducirse en las zonas de subducción, parte es expulsada de nuevo por el vulcanismo asociado a la subducción y otra parte vuelve al manto. Habrá una cantidad de vapor de agua originado en los procesos volcánicos que se incorporará al ciclo externo del agua (lo que conocemos como ciclo del agua). No obstante, las cantidades incorporadas son despreciables frente al volumen total de agua.

Balance hídrico general

El balance hídrico es la diferencia entre las entradas y las salidas de agua en un tiempo determinado y en un lugar determinado.

Podemos hablar del balance hídrico de un mar u océano, que será la diferencia entre las ganancias o entradas de agua (por precipitación, aportes de ríos y de otros mares con los que esté en contacto) y las salidas o pérdidas (por evaporación o por cesión a otros mares). Cuando la cantidad de agua evaporada supera la que aportan las lluvias y los ríos, el balance resulta negativo; este el caso del mar Mediterráneo: el hecho de que se pierda más agua de la que entra al mar explica que se trate de una cuenca de concentración salina. En la zona del estrecho de Gibraltar, Mediterráneo y Atlántico intercambian masas de agua: el agua atlántica tiene una salinidad menor y penetra por superficie y la mediterránea va en profundidad. El caso contrario ocurre con el Mar Negro: la cantidad de agua evaporada es menor que la cantidad aportada por precipitación y por los ríos. Por ser un balance positivo, las aguas son menos salinas que las del Mediterráneo. Puesto que ambos mares están en contacto, existe agua profunda mediterránea que va hacia el mar Negro, y agua superficial del mar Negro hacia el Mediterráneo.

También podemos hablar del balance hídrico de una cuenca hidrográfica, siendo una cuenca hidrográfica (de un río) el sector geográfico que recoge sus aguas. El agua que llega a una cuenca lo hace por medio de las precipitaciones. Estas precipitaciones se reparten entre tres parámetros:

a) Parte de estas precipitaciones se evapora en contacto con el aire o es absorbida por las plantas y luego

transpirada por las mismas (el conjunto es la evapotranspiración).

b) El agua que queda puede seguir dos caminos: fluir por la superficie confluyendo por la red de drenaje hasta alcanzar los cauces principales y finalmente el mar (escorrentía superficial) o infiltrarse en el terreno e incorporarse al sistema de aguas subterráneas (corrientes subterráneas). En su recorrido puede ser captada por las plantas o evaporarse, sumándose así a la evapotranspiración mencionada anteriormente. Lo explicado se puede resumir de manera sencilla:

Balance hídrico: P = ETR + ES + CS

P = Precipitaciones ETR = Evapotranspiración ES = Escorrentía superficial CS = Corrientes subterráneas

También podemos hablar del balance hídrico general, que es el que se establece al comparar el de los océanos con el de los continentes. Se calcula que, al año, se evaporan en todo el planeta 423.000 km

de agua. De ellos, 361.000 km

se evaporan en los océanos y 62.000 km

en el conjunto de los continentes.

Este agua retorna a la superficie en forma de precipitaciones, más abundantes de los océanos (324.000 km

/año) que en los continentes (99.000 km

/año). Por tanto:

Balance hídrico en los océanos: Precipitación (P) – Evaporación (E) Balance hídrico en los océanos: 324.000 km

/año - 361.000 km

/año = -37.000 km

/año

Balance hídrico en los continentes: Precipitación (P) – Evapotranspiración (ET) B. hídrico en los continentes: 99.000 km

/año - 62.000 km

/año = + 37.000 km

/año

En los océanos se evapora más agua de la que cae por precipitaciones. Este déficit es compensado por el superávit de los continentes, que es devuelto cada año por la escorrentía (superficial y subterránea) hasta los océanos.

Por tanto, el balance hídrico general para todo el Sistema Tierra es cero, dado que la suma de las precipitaciones es equivalente a la suma de las evaporaciones:

Evaporación (E) en océanos + Evapotranspiración = Precipitación en océanos + Precipitación en continentes 361.000 km

/año + 62.000 km

/año = 324.000 km

/año + 99.000 km

/año

Sin embargo, la cantidad de agua que precipita y se evapora varía según las estaciones del año y según la latitud, debido a la desigual incidencia de los rayos solares, de manera que en el ecuador predomina la evaporación y en latitudes superiores la precipitación.

La influencia humana en el ciclo hidrológico es notable: cada vez consumimos más agua y estamos sobreexplotando los acuíferos, cada año extraemos más agua de la que se repone con la precipitación anual.

Además, para disponer de mayores cantidades de agua dulce, la humanidad procura reducir los

desequilibrios en la distribución temporal y espacial de este recurso. Con la acumulación de agua en presas y

embalses, se pueden afrontar épocas de escasez de agua (desequilibrio temporal); con los trasvases o

transferencias de agua de unas cuencas hidrográficas a otras se persigue solucionar los desequilibrios en la

distribución espacial (véase apartado sobre gestión del agua).