Calor e Padrões de Circulação
Curso: Teoria e Métodos em Limnologia
EPAMIG, 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
Propriedades físico-químicas 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.
As moléculas de água são dipolares:
d+
H
104.5°
H
Ocorrendo ligações de pontes de hidrogênio:
O
d-
Estas pontes de hidrogênio se formam e quebram a uma taxa que é determinada
pela temperatura da água
Formam um tetraedro quando congelam
Temperatura
(ºC)
Densidade da água
(g.cm-3)
100
25
0,958
0,997
10
4
0
0,999
1,000
0,917
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:
% of surface light
0
25
50
75
100
0
5
depth (m)
10
15
20
25
30
35
Será que o calor mostra o mesmo padrão?
Kalff 2002
Temperatura (°C)
Não!
5
1
10
15
20
25
30
Epilímnio
Profundidade (m)
2
3
4
5
Metalímnio
Termoclina
6
7
8
9
10
Hipolímnio
Duas massas de água separadas onde há pouca mistura
Epilímnio
Camada superior
Quente (menos densa)
Bem misturado
TERMOCLINA
Hipolímnio
Camada inferior
Frio (mais densa)
Sem luz
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
Porque os lagos se estratificam e desestratificam?
(1) Relações de densidade da água
Água menos densa “flutua” sobre a água das
camadas mais profundas (mais densas)
Porque os lagos se estratificam e desestratificam?
(2) Efeito do vento
A difusão molecular do calor é lento, o vento
precisa misturar o calor para as águas mais
profundas
O vento e a mistura da coluna de água
 = 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.
Temperatura – dia calmo
O perfil de temperatura deveria se
parecer com o perfil de luz – ao menos
em um dia perfeitamente calmo
Temperatura
x
x
x
x
Temperatura – dia com vento
• 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
Temperatura
x
x
x
x
x
x
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
Os padrões de mistura podem ser influenciados por:
- A morfometria do lago
- Geografia
- A claridade da água
- Clima
Um lago com a
profundidade máxima
de 4m pode estratificar
se ele está numa bacia
protegida
Lago Bullhead
Área = 0.02 km2
Fetch < 300 m
22 August 1993
Um lago com a
profundidade máxima de
12m pode circular
constantemente se o
fetch é longo o bastante
Te mpe r a t ur e ( C)
0
0
2
Lago Oneida, NY
Área = 207 km2
Fetch = 33 km
Depth (m)
4
6
8
10
12
5
10
15
20
25
30
Como os lagos estratificam?
Temperatura (°C)
Variação anual
5
(1) Verão
1
O epilímnio é aquecido
O hipolímnio está isolado
Forte estratificação térmica
Profundidade (m)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
15
20
25
30
Como os lagos estratificam?
Temperatura (°C)
Variação anual
5
1
(2) Outono
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
A Termoclina torna-se mais
profunda e a temperatura do
epilímnio diminui
Profundidade (m)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
15
20
25
30
Como os lagos estratificam?
Temperatura (°C)
Variação anual
5
1
(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
Profundidade (m)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
15
20
25
30
Como os lagos estratificam?
Temperatura (°C)
Variação anual
5
1
(4) Primavera
A superfície da água é
aquecida mais rapidamente
do que o calor possa ser
distribuído pela mistura
Profundidade (m)
Dias longos e quentes significam
que mais calor é transferido para
a superfície da água
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
15
20
25
30
Como os lagos estratificam?
Temperatura (°C)
Variação anual
5
1
(5) Final da primavera
Profundidade (m)
Com o
estabelecimento da
diferença de
densidade, o
epilímnio “flutua”
sobre o hipolímnio
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
15
20
25
30
Padrões de circulação em lagos estratificados
-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
Wind
Epilímnio
Metalímnio
Hipolímnio
Como podemos representar os parões sazonais em apenas um gráfico?
Diagrama profundidade-tempo
Wetzel 2001
isotermas
A estratificação térmica em um lago
tropical
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
Prof. (m)
2
3
4
5
6
O
N
1999
D
J
F
M
A
M
J
J
A
S
2000
Diagrama profundidade-tempo da temperatura da água (ºC) na
Lagoa do Nado,MG.
Padrões de mistura
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 biogênica
Meromixia ectogênica
Meromixia crenogênica
Holomíticos:
os lagos circulam completamente
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
Lago Meretta, CA
Kalff 2002
Holomíticos:
os lagos circulam completamente
Kalff 2002
Lagos monomíticos quentes — um período de mistura
Estratificação térmica no verão
Não congelam e apenas misturam no inverno
Lagoa
Carioca, MG
Representação diagramática de um
regime de mistura monomítico quente
Verão
Outono
Primavera
Inverno
Holomíticos:
os lagos circulam completamente
Dimíticos— dois períodos de mistura e dois períodos de
estratificação
Congelado no inverno (estratificação inversa)
Estraificado no verão
Wetzel 2001
Representação diagramática de um
regime de mistura dimítico
Holomíticos:
os lagos circulam completamente
Lagos polimíticos — misturam muitas vezes
durante o ano
Podem estratificar por dias ou semanas,
mas estratificam mais de uma vez
durante o ano
Meromíticos: lagos que são quimicamente estratificados
Termoclina
Quemoclina
Monimolímnio
Exemplos de meromixia — entrada de sais devido à
atividade biológica (decomposição)
Lago Tanganyika
Zm > 1400 m
Área = 32,000 km2
Muitos anos de
Mistura incompleta
Sensores para coleta de dados
Sonda YSI
Temperatura e OD
Sonda de múltiplos parâmetros YSI
Monitoramento Intensivo em Tempo Real
Estratificação térmica e estratificação
química de lagos