Calor e Padrões de Circulação

1. Curso: Teoria e Métodos em Limnologia EPAMIG, 29 de Janeiro a 1 de fevereiro, 2008 Calor e Padrões de Circulação Prof. José Fernandes Bezerra Neto Prof. Ricardo Motta Pinto Coelho

2. Distribuição do calor em lagos • Qual é a relação entre a temperatura e a densidade da água? • Porque a distribuição de calor é importante? • Como e porque os lagos estratificam? • Quais são os principais padrões de mistura em lagos?

3. Propriedades da água

4. 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.

5. Ocorrendo ligações de pontes de hidrogênio: d+ H 104.5° H O d- As moléculas de água são dipolares: Estas pontes de hidrogênio se formam e quebram a uma taxa que é determinada pela temperatura da água

6. Formam um tetraedro quando congelam

7. 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!

8. Uma importante conseqüência das pontes de hidrogênio e as relações de densidade : • O gelo flutua !

9. 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

10. 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

11. Vamos relembrar o decaimento exponencial da luz na coluna de água em lagos: Será que o calor mostra o mesmo padrão? Kalff 2002

12. 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Temperatura (°C) Não! Epilímnio Metalímnio Termoclina Profundidade (m) Hipolímnio

13. 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

14. 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

15. 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)

16. 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

17. 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.

18. Temperatura – dia calmo Profundidade O perfil de temperatura deveria se parecer com o perfil de luz – ao menos em um dia perfeitamente calmo Temperatura x x x x

19. 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 Profundidade x x

20. 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

21. Os padrões de mistura podem ser influenciados por: - A morfometria do lago - Geografia - A claridade da água - Clima

22. 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

23. Um lago com a profundidade máxima de 12m pode circular constantemente se o fetch é longo o bastante Lago Oneida, NY Área = 207 km2 Fetch = 33 km

24. Temperatura (°C) 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 Profundidade (m) 5 6 7 8 9 10 Como os lagos estratificam? Variação anual (1) Verão O epilímnio é aquecido O hipolímnio está isolado Forte estratificação térmica

25. Temperatura (°C) 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 Profundidade (m) 5 6 7 8 9 10 Como os lagos estratificam? Variação anual (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

26. Temperatura (°C) 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 Profundidade (m) 5 6 7 8 9 10 Como os lagos estratificam? Variação anual (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

27. Temperatura (°C) 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 Profundidade (m) 5 6 7 8 9 10 Como os lagos estratificam? Variação anual (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

28. Temperatura (°C) 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 Profundidade (m) 5 6 7 8 9 10 Como os lagos estratificam? Variação anual (5) Final da primavera Com o estabelecimento da diferença de densidade, o epilímnio “flutua” sobre o hipolímnio

29. Wind Epilímnio Metalímnio Hipolímnio 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

30. Como podemos representar os parões sazonais em apenas um gráfico? Diagrama profundidade-tempo Wetzel 2001 isotermas

31. A estratificação térmica em um lago tropical Diagrama profundidade-tempo da temperatura da água (ºC) na Lagoa do Nado,MG.

32. Padrões de mistura • 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

33. 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

34. 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

35. Verão Outono Inverno Primavera Representação diagramática de um regime de mistura monomítico quente

36. 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

37. Representação diagramática de um regime de mistura dimítico

38. 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

39. Meromíticos:lagos que são quimicamente estratificados Termoclina Mixolímnio Quemoclina Monimolímnio

40. Exemplos de meromixia — entrada de sais devido à atividade biológica (decomposição) Lago Tanganyika Zm > 1400 m Área = 32,000 km2

41. Muitos anos de Mistura incompleta

42. Sensores para coleta de dados Sonda YSI Temperatura e OD Sonda de múltiplos parâmetros YSI

43. Monitoramento Intensivo em Tempo Real

44. Estratificação térmica e estratificação química de lagos