Quantidade de água disponível Ciclo hidrológico Prof. Dr. Silvio F. Barros Ferraz Depto. Ciências Florestais ESALQ/USP A quantidade de água doce disponível para consumo é extremamente escassa Distribuição da água no planeta 97,% nos oceanos 1,8% em geleiras A cada 1 L 97 L 18 L,6% nas camadas subterrâneas 6 L,1% nos lagos e rios,% de umidade no solo 1 ml ml,9% em forma de vapor na atmosfera 9 ml,4% na matéria viva,4 ml Água Estados físicos Líquido Sólido Gasoso Fatores abióticos Turbidez Condutividade Densidade varia em função da temperatura líquido: 8 x densidade do ar Viscosidade: resistência ao fluxo e movimento Empuxo em função da densidade da água do corpo flutuante Teor de sais Gases dissolvidos ph Nutrientes Intensidade de Luz Temperatura Pressão Hidrostática Características da água Mudança de estado Fusão da água graus Calor latente de fusão: 8 cal/g Ebulição 1 graus Calor latente de vaporização: 4 cal/g Evaporação Passagem para o estado gasoso a temperaturas menores que 1graus Lv = 97,3,64T 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. Ricklefs, 23 1
Distribuição da água na Terra Elementos do ambiente físico ar vapor d água atmosfera luz temperatura pressão litosfera solo minerais de rocha hidrosfera elementos compostos água doce água salgada água salobra orgânicos inorgânicos Teixeira et al., 21 Ecossistemas aquáticos (hidrosfera) Lagos e tanques Água doce Lêntico (águas paradas) Lótico (água corrente) Alagados Água salgada Oceanos Água salobra Estuários Lagos naturais: formados pelo represamento natural das águas de um córrego. Lagos artificiais: modificados pelo homem: Represas Tanques Reservatórios Açúdes CETESB, 23 Rios e riachos Nível freático 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 Teixeira et al., 21 2
Elementos do ambiente físico Água na litosfera ar vapor d água atmosfera luz temperatura pressão litosfera solo minerais de rocha hidrosfera elementos compostos água doce água salgada água salobra orgânicos inorgânicos Teixeira et al., 21 Água do solo Ponto de murcha permanente (PMP) 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. Umidade do solo na qual as plantas não mais conseguem manter suas folhas túrgidas. PMP ocorre a uma pressão aproximada de 1 atm. θpmp θcc θsat θ (cm 3 /cm 3 ) Água residual Água gravitacional Zr Z Capacidade de Água Disponível (CAD) Sentelhas, 2 Capacidade de campo (CC) Água do solo 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? Braddy, 1989 3
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. SATURAÇÃO Distribuição relativa de umidade AR SECO areia areia fina ÁGUA GRAVITACIONAL arenoso barrento CAD areia fina barrento limo textura CC PMP ÁGUA NÃO DISPONÍVEL argila leve argila argila pesado argila Brady, 1989; Vianei, 22 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 θ V w v = V Ww θw = Ws Vw é o volume da água V é o volume do solo Ww é o peso da água Ws é o peso do solo Brady, 1989 Elementos do ambiente físico Água na atmosfera ar vapor d água hidrosfera atmosfera luz temperatura pressão litosfera solo elementos orgânicos água doce água salgada água salobra minerais de rocha compostos inorgânicos Umidade do ar: Vapor d água constituinte variável do ar atmosférico (-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 Conceitos Conceitos Pressão de saturação de vapor (e s ) é a pressão parcial de vapor d'água na condição de saturação. É uma função da temperatura, dada por: 17. 27 t e s = 6.11exp 237. 3 + t Em que e s é em mbar e t em o C Pressão de saturação de vapor, es (KPa ) 8 7 6 4 3 2 1 1 2 3 4 Temperatura ( o C) 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 = 1 mb =,987 atm (pressão atmosférica ao nível do mar) 1 b = 1 N/m 2 = 1 Pa =,1 MPa 1 mb = 1 2 N/m 2 =,1 KPa Vianei Soares, 22 4
Umidade específica (q) Umidade de saturação (US) Quantidade de vapor d água existente em uma massa de ar. Massa de vapor d água por unidade de massa de ar mv q= mv+ ma e q( g/ Kg) = 622 p 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) Expressa a massa de vapor d água em condições de saturação, por volume de ar 288. es US.. = 273 + T Onde: U.S. = umidade de saturação (g / m 3 ) es = pressão parcial de vapor na condição de saturação (mbar) T = temperatura do ar Soares, 27 Soares, 27 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. 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 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 Obtenção pela pressão de vapor d água: Umidade relativa do ar é razão entre a pressão de vapor e a pressão de saturação e UR(%) = 1 Onde: e s e = pressão parcial do vapor d água es = pressão de saturação do vapor d água Obtenção pela umidade de saturação U. A. UR(%) = 1 US.. Onde: U.A. = Umidade atual do ar U.S. = Umidade de saturação do ar Ricklefs, 23 Déficit de pressão de vapor Água precipitável Déficit de pressão de vapor é a diferença (e s - 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. Quantidade total de vapor d água existente na atmosfera. Quantidade potencial de chuva, caso todo o vapor d água fosse precipitado Onde: p1 P =,1 x UEdp p P = água precipitável () UE = umidade específica P1 e P pressão atmosférica (mbar) Soares, 27
Ciclos Biogeoquímicos Ciclo dos elementos nos ecossistemas 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 4 elementos para fazer a síntese de seu protoplasma. CICLO Matéria Rickefs, 23 Ciclo hidrológico 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 Teixeira et al., 21 Balanço global da água Balanço global - Brasil Valores em Tt (teratoneladas) Fluxos anuais Rickefs, 23 Lima, 1996 6
4 3 2 1-1 -2 1 8 6 4 2-2 -4-6 -8-1 18 16 14 12 1 8 6 4 2 2 1 1-2 1 1 - -1-1 4 2-2 -4-6 -8-1 -12-14 -16-18 3 3 2 2 1 1 - -1 Balanço hídrico 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 ; EVT peradas por evapotranspiração, expressa em ; Q escoamento superficial que sai da bacia. É normalmente dado em vazão média ao longo do intervalo (por exemplo m 3 /s ao longo do ano); R variação de todos os armazenamentos, superficiais e subterrâneo. É expresso em m 3 ou em. P - E - Q (± S) = onde: P = precipitação total sobre a bacia E = evapotranspiração Q = volume escoado pela bacia S = variação devido ao armazenamento no interior da bacia Teixeira et al., 21 Balanço hídrico - componentes Bebedouro, SP Itabaianinha, SE 3 2 Chuva Tmed 3 3 3 2 Chuva Tmed 3 3 Temperatura média ( o C) 2 1 1 2 2 1 1 Chuva (/mês) Temperatura média ( o C) 2 1 1 2 2 1 1 Chuva (/mês) Taquarí, RS Uberaba, MG 3 3 3 3 2 Chuva Tmed 3 2 Chuva Tmed 3 Temperatura média ( o C) 2 1 1 2 2 1 1 Chuva (/mês) Temperatura média ( o C) 2 1 1 2 2 1 1 Chuva (/mês) Lima, 1996 Sentelhas/Angelocci Balanço hídrico Balanço hídrico Def () Exc () Bebedouro, SP 2 Exc = 327 1 Def = 198 1 - -1 Lat.: 2 o 'S -1 Long.: 48 o 3'W Alt.: 67m -2 Def () Exc () Itabaianinha, SE 2 Exc = 123 1 Def = 291 1 - -1 Lat.: 11 o 7'S Long.: 37 o 49'W -1 Alt.: 223m -2 Caracterização regional da disponibilidade hídrica Sentelhas/Angelocci Sentelhas/Angelocci 7
Questão Num ecossistema hipotético de 1m 2, a energia que chega do sol é de 28 Watt / m 2. 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 1cm 3 de água em 1 grau Celsius temperatura inicial da água = 2 graus Celsius temperatura de evaporação da água = 1 graus Celsius Calor latente de vaporização: 4 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 1 minutos) houve uma precipitação de 1cm, calcule a quantidade de água evaporada se a energia perdida fosse utilizada totalmente para este processo. 8