Calor e Padrões de Calor e Padrões de CirculaçãoCirculação

Curso: Ciências BiológicasMatéria: Limnologia

Prof. José Fernandes Bezerra Neto

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 A densidade de uma substância é uma relação entre a massa e o volume que ela ocupa.massa e o volume que ela ocupa.

A grande maioria das substâncias diminui de volume e, A grande maioria das substâncias diminui de volume e, por conseqüência, aumenta de densidade à medida por conseqüência, aumenta de densidade à medida que a temperatura diminui. que a temperatura diminui.

A água apresenta uma dilatação irregular, apresentando A água apresenta uma dilatação irregular, apresentando um mínimo de volume, portanto um máximo de um mínimo de volume, portanto um máximo de densidade quando a temperatura é de 4 ºC. 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 0,9580,958

2525 0,9970,997

1010 0,9990,999

44 1,0001,000

00 0,9170,917

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

dep

th (

m)

Não!

5 10 15 20 25 30

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Temperatura (°C)

Pro

fund

idad

e (m

)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

Esta condição em que, na coluna de água, observa-se que duas camadas não se misturam é conhecido como ESTRATIFICAÇÃO TÉRMICA

Estabilidade—probabilidade que um lago estratificado permaneça estratificado

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 vento

A 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

Pro

fun

did

ad

e 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

Pro

fun

did

ad

e 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 30

Temperature (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

Mix

olím

nio

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