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Se pudiera admitir que la cantidad total de agua que existe en la Tierra, en sus tres fases: sólida, líquida y gaseosa, se ha mantenido constante desde la aparición de la Humanidad. El agua de la Tierra - que constituye la hidrósfera - se distribuye en tres reservorios principales: los océanos, los continentes y la atmósfera, entre los cuales existe una circulación continua - el ciclo del agua o ciclo hidrológico. El movimiento del agua en el ciclo hidrológico es mantenido por la energía radiante del sol y por la fuerza de la gravedad.
El ciclo hidrológico se define como la secuencia de fenómenos por medio de los cuales el agua pasa de la superficie terrestre, en la fase de vapor, a la atmósfera y regresa en sus fases líquida y sólida. La transferencia de agua desde la superficie de la Tierra hacia la atmósfera, en forma de vapor de agua, se debe a la evaporación directa, a la transpiración por las plantas y animales y por sublimación (paso directo del agua sólida a vapor de agua).
La cantidad de agua movida, dentro del ciclo hidrológico, por el fenómeno de sublimación es insignificante en relación a las cantidades movidas por evaporación y por transpiración, cuyo proceso conjunto se denomina evapotranspiración. • El vapor de agua es transportado por la circulación atmosférica y se condensa luego de haber recorrido distancias que pueden sobrepasar 1,000 km. El agua condensada da lugar a la formación de nieblas y nubes y, posteriormente, a precipitación. • La precipitación puede ocurrir en la fase líquida (lluvia) o en la fase sólida (nieve o granizo). El agua precipitada en la fase sólida se presenta con una estructura cristalina, en el caso de la nieve, y con estructura granular, regular en capas, en el caso del granizo. • La precipitación incluye también incluye el agua que pasa de la atmósfera a la superficie terrestre por condensación del vapor de agua (rocío) o por congelación del vapor (helada) y por intercepción de las gotas de agua de las nieblas (nubes que tocan el suelo o el mar).
El agua que precipita en tierra puede tener varios destinos. Una parte es devuelta directamente a la atmósfera por evaporación; otra parte escurre por la superficie del terreno, escorrentía superficial, que se concentra en surcos y va a originar las líneas de agua. El agua restante se infiltra, esto es penetra en el interior del suelo; esta agua infiltrada puede volver a la atmósfera por evapotranspiración o profundizarse hasta alcanzar las capas freáticas.
La energía solar es la fuente de energía térmica necesaria para el paso del agua desde las fases líquida y sólida a la fase de vapor, y también es el origen de las circulaciones atmosféricas que transportan el vapor de agua y mueven las nubes. • La fuerza de gravedad da lugar a la precipitación y al escurrimiento. El ciclo hidrológico es un agente modelador de la corteza terrestre debido a la erosión y al transporte y deposición de sedimentos por vía hidráulica. Condiciona la cobertura vegetal y, de una forma más general, la vida en la Tierra. • El ciclo hidrológico puede ser visto, en una escala planetaria, como un gigantesco sistema de destilación, extendido por todo el Planeta. El calentamiento de las regiones tropicales debido a la radiación solar provoca la evaporación continua del agua de los océanos, la cual es transportada bajo forma de vapor de agua por la circulación general de la atmósfera, a otras regiones. Durante la transferencia, parte del vapor de agua se condensa debido al enfriamiento y forma nubes que originan la precipitación. El regreso a las regiones de origen resulta de la acción combinada del escurrimiento proveniente de los ríos y de las corrientes marinas.
El agua que es almacenada por largos períodos de tiempo en el hielo, la nieve o los glaciares, también forma parte del ciclo del agua. La mayor parte de la masa de hielo de la Tierra, alrededor del 90 por ciento, se encuentra en la Antártida, mientras que el 10 por ciento restante se encuentra en Groenlandia. La capa de hielo de Groenlandia es una interesante parte del ciclo del agua. La capa ha aumentado su tamaño a lo largo del tiempo, alrededor de 2.5 millones de kilómetros cúbicos (600,000 millas cúbicas), debido que cae más nieve de la que se derrite. La capa de hielo presenta un grosor promedio de 1,500 metros (14,000 pies), pero puede tener hasta 4,300 metros de grosor (14,000 pies). El hielo es tan pesado, que la tierra que esta por debajo ha sido presionada hasta adquirir una forma curva. A escala global, el clima esta cambiando continuamente, generalmente no lo hace lo suficientemente rápido como para que lo notemos. Hubo períodos cálidos, hace alrededor de 100 millones de años. También hubieron muchos períodos fríos, como durante la última Edad de Hielo, alrededor de 20,000 años atrás. En este período Canadá, la mayor parte del norte de Asia y Europa y, algunas regiones de E.E.U.U., se encontraban cubiertas por glaciares.
Los glaciares cubren un 10-11 por ciento de toda la superficie de la Tierra. • Si en el día de hoy, todos los glaciares se derritieran, el nivel del mar subiría alrededor de 70 metros (230 pies). Fuente: Centro Nacional de Datos de Nieve y Hielo • Durante la última edad de hielo el nivel del mar se encontraba alrededor de 122 metros (400 pies) más abajo del nivel a que está hoy día, y los glaciares cubrían casi un tercio de la superficie terrestre. • Durante el ultimo período cálido, 125,000 años atrás, los mares estaban alrededor de 5.5 metros (18 pies) más arriba del nivel a que están hoy día. Alrededor de tres millones de años atrás, los mares podrían haber estado 50.3 (165 pies) metros más arriba.
Transpiración: Proceso mediante el cual el vapor de agua se escapa de las plantas y entra a la atmósfera • La transpiración es el proceso por el cual el agua es llevada desde las raíces hasta pequeños poros que se encuentran en la cara inferior de las hojas, donde se transforma en vapor de agua y se libera a la atmósfera. La transpiración, es esencialmente la evaporación del agua desde las hojas de las plantas. Se estima que alrededor de un 10% de la humedad de la atmósfera proviene de la transpiración de las plantas. • La transpiración de las plantas es un procesos que no se ve---debido a que el agua se evapora de la superficie de la hoja, tu no ves las hojas "transpirando". Durante la estación de crecimiento, una hoja transpirará una cantidad de agua mucho mayor a su propio peso. Un acre plantado con maíz, produce cerca de 11,400 - 15,100 litros (3,000- 4,000 galones) de agua por día, y un roble grande puede transpirar alrededor de 151,000 litros (40,000 galones) por año.
La cantidad de agua que transpiran las plantas varía según la región geográfica y a través del tiempo. Hay varios factores que determinan las tasas de transpiración: • Temperatura: La tasa de transpiración aumenta a medida que aumenta la temperatura, especialmente durante la estación de crecimiento, cuando el aire está más cálido. • Humedad relativa: A medida que aumenta la humedad del aire que rodea a la planta, la tasa de transpiración disminuye. Es más fácil para el agua evaporarse hacia el aire seco que hacia el aire saturado. • El viento y el movimiento del aire: El aumento en el movimiento del aire que rodea a la planta, provocará una mayor transpiración • Tipos de plantas: Las distintas plantas, presentan distintas tasas de transpiración. Algunas de las plantas que crecen en las zonas áridas, como los cactus, conservan la tan preciada agua transpirando menos.
Si bien la atmósfera no es un importante almacenador de agua, es una vía rápida que el agua utiliza para moverse por el globo terráqueo. Siempre hay agua en la atmósfera. Las nubes son la forma más visible del agua en la atmósfera, pero incluso el aire limpio contiene agua...partículas de agua que son muy pequeñas como para ser visibles. El volumen de agua en la atmósfera en cualquier momento es alrededor de 12,900 kilómetros cúbicos (3,100 millas cúbicas). Si toda el agua de la atmósfera cayera como lluvia al mismo tiempo, cubriría la superficie terrestre con una capa de agua de 2.5 cm de espesor, alrededor de 1 pulgada
La distribución de las precipitaciones y de los fenómenos de evaporación en la superficie del globo terrestre no es uniforme. No obstante, pueden señalarse algunas tendencias generales: en las zonas subtropicales y polares, los fenómenos de evaporación son más importantes que las precipitaciones. Por contra, las precipitaciones dominan en los dos tipos de zonas llamados cinturones de precipitaciones: se trata por una parte de las regiones ecuatoriales que corresponden a la zona de convergencia intertropical (ZCIT) y de otra las latitudes medias, a nivel de las perturbaciones asociadas al frente polar. Así pues, lo que alimenta encontinuo estos cinturones- de precipitaciones es el vapor de agua procedente de la evaporación de los océanos subtropicales.
La tasa de precipitación varia geográficamente y a lo largo del tiempo • La cantidad de precipitación varía a lo largo del mundo, de los países, incluso dentro de una misma ciudad. Por ejemplo, en Chiapas, las tormentas de verano pueden producir una pulgada o más de lluvia en una calle, y dejar otras áreas no muy lejanas secas. La cantidad de lluvia que cae en el estado de Tabasco durante un mes, es más de lo que cae en La Paz, Nevada, a lo largo de un año. El record mundial promedio de lluvia anual, pertenece a Mt.Waialeale, Hawai, donde el promedio es 1,140 cm (450 pulgadas) por año. Como algo excepcional se registro en este lugar, 1,630 cm. de lluvia durante un período de 12 meses, lo que corresponde a casi 5 cm. por día !!. En contraste a esa precipitación excesiva, tenemos Arica, Chile, donde no llovió en 14 años.
La cantidad gobal de agua del sistema climático puede ser modificada por distintos procesos. Así, los volcanes y las fuentes calientes aportan agua al sistema. En la alta atmósfera, las reacciones de fotodisociación provocadas por la radiación solar destruyen el vapor de agua. Pero se trata de fenómenos despreciables y cabe suponer que la cantidad total de agua del sistema climático es constante.
Teniendo en cuenta todos los procesos de aporte y eliminación de agua en una región dada, es posible establecer un balance de la distribución espacial y temporal de las aguas. La expresión final de este balance es extremadamente simple en la medida en que quepa considerar que a largo plazo y para regiones extensas el contenido de las reservas superficiales y subterráneas es constante. La cantidad total de agua que permanece en una determinada región terrestre varía poco. Esto significa que la eliminación del agua de una región por evaporación y por corrientes de agua se encuentra casi exactamente compensada por el aporte debido a las precipitaciones.
La intensidad de los movimientos del vapor de agua es máxima encima del mar, lo cual se traduce en una transferencia neta de vapor de agua a los continentes. Pese al predominio de una componente zonal (movimiento de este a oeste), se puede constatar que los movimientos de sur a norte juegan un papel primordial en el balance de la distribución de agua en la tierra. Esta no uniformidad de los flujos de vapor de agua alrededor de la tierra muestra claramente que las precipitaciones que se producen en una determinada región tienen su origen en el agua evaporada en otra distinta.
El mapa de la distribución del contenido en agua de la atmósfera -o cantidad de agua «precipitable» en la atmósfera (W)- revela inmediatamente, con algunas excepciones, una disminución continua de W en función de la latitud, del ecuador a los polos: la cantidad de agua precipitable llega a ser de 50 kg/m2 en las regiones ecuatoriales y apenas si rebasa 5 kg/m2 en las zonas subpolares y polares.
No obstante, la simetría de esta distribución alrededor de la Tierra no es perfectamente zonal (es decir, no se descompone en bandas paralelas al ecuador): para un determinado valor de la latitud, se observa una variación del valor de W en función de la longitud. Las diferencias respecto de esta simetría zonal resultan de la influencia de la fisiografía del globo. Es en el hemisferio sur, ocupado en mayor proporción por los océanos, donde estas diferencias son menores. Se constata también que la cantidad de agua precipitable suele ser superior por encima del mar. Por encimade los continentes, además, la cantidad de agua precipitable depende de la topografía.
Por encima de las regiones desérticas, la cantidad de agua precipitable es netamente inferior a la correspondiente media zonal. Este efecto es particularmente notable en las porciones orientales de los anticiclones semipermanentes de las zonas subtropicales. La influencia de los relieves elevados se traduce también en una disminución de la cantidad de agua precipitable, a veces inferior a 10 kg/m2 por encima de las Montañas Rocosas, de la cadena del Himalaya, de las altiplanicies de Etiopía y de la cordillera de los Andes. En este último macizo montañoso se constata además una deformación importante de la zona correspondiente a 20 kg/m2 hacia las latitudes más bajas.
El contenido en agua de la atmósfera no varía solo en función de la latitud y la longitud; depende también de la altitud. El decrecimiento del grado de humedad en función de la altura sigue prácticamente una ley exponencial. Más del 50% del vapor de agua atmosférico está confinado dentro de fina envoltura que corresponde a 1500 metros de altitud (es decir, a una presión de 850 milibar) y más del 90% del agua precipitable se encuentra a unas altitudes inferiores 5600 metros (a una presión inferior a 500 milibar). Las variaciones estacionales de la cantidad de agua en funciónde la altitud transcurren paralelamente a las correspondientes variaciones de temperatura y por lo tanto son más pronunciadas en el hemisferio norte que en el hemisferio sur.
A partir de los mapas de distribución global de la cantidad de agua precipitable en la atmósfera se puede trazar el perfil de las medias zonales en función de la latitud. Se obtiene así una curva en forma de campana cuyo máximo está situado en la vertical del ecuador para la media anual. Mediante un simple cálculo de integración, esta curva permite también evaluar el contenido global en agua de la atmósfera, es del orden de 13.1 x 1035 Kg, el equivalente a una capa de agua uniforme de 2.5 m de espesor que cubra toda la tierra. Las diferencias estacionales de este contenido son mas pronunciadas en el hemisferio norte, donde la diferencia entre los valores invernales y estivales es del orden de 3 x 1015 kg, por solo 1.8 x 1015 kg en el hemisferio sur.
En la estación junio-julio-agosto el flujo de vapor de agua hacia el hemisferio norte es de 18.8 x 108 kg/s y en diciembre-enero-febrero, de 13.6 x 108 kg/s hacia el hemisferio sur. El balance anual de estas variaciones es un aporte neto de vapor de agua hacia el hemisferio norte, que se traduce en un exceso anual de 39 mm de las precipitaciones respecto de la evaporación. En este hemisferio, el exceso de las precipitaciones sobre la evaporación es igual a 58 mm de junio a agosto, mientras que de diciembre a febrero la evaporación supera en 42 mm a las precipitaciones.
Admitiendo que el valor medio de la tasa de precipitación anual en la Tierra sea igual a un metro, es posible calcular el tiempo de permanencia del agua en la atmósfera. El valor obtenido, 0.025 años, unos nueve días, significa que el contenido envapor de agua de la atmósfera se renueva unas 40 veces al año
En las latitudes medias, el transporte de vapor de agua según la componente meridional se efectúa hacia los polos en los dos hemisferios y las variaciones estacionales son pequeñas. Este transporte deriva principalmente de las bajas presiones asociadas al frente polar y de torbellinos estacionarios tales como las depresiones subpolares y los anticiclones subtropicales y sus pulsaciones.
Al nivel del ecuador, la intensidad máxima del transporte vertical está asociada a las ramas ascendentes de las células de Hadley. En las latitudes medias y elevadas, este transporte está controlado por los sistemas de bajas presiones cuasiestacionarias y transitorias. Por contra, las principales zonas en que el transporte vertical de vapor de agua se efectúa de arriba abajo son las partes orientales de los anticiclones subtropicales situados encima del mar.
Físicamente, los puntos de divergencia corresponden a fuentes de vapor de agua para las regiones vecinas, lo cual traduce un exceso de la cantidad de agua evaporada con respecto a las precipitaciones en la superficie terrestre. En cambio, los puntos de convergencia (es decir, de divergencia negativa) indican zonas de acumulación del vapor de agua en la atmósfera, lo cual se traduce como un exceso de las precipitaciones respecto de la evaporación. En general, las zonas de convergencia y de divergencia son más pronunciadas sobre el mar que sobre los continentes.
Las zonas de convergencia predominan en las latitudes ecuatoriales y entre las latitudes medias y elevadas. La zona de convergencia ecuatorial está asociada a la ZCIT. El vapor de agua es transportado hacia las zonas ascendentes por las ramas inferiores de las células de Hadley, lo cual corresponde a unaelevada tasa de precipitaciones. Entre las latitudes medias y altas, las zonas de convergencia corresponden a las depresiones ciclónicas transitorias que acompañan a los frentes polares. Pero indudablemente existe una zona de débil divergencia a nivel de los polos, especialmente en el polo norte.
Los cinturones de divergencia subtropical coinciden aproximadamente con las zonas áridas delglobo. Están asociados a una tasa de evaporación muy importante y a los anticiclones subtropicales. La presencia de zonas de divergencia encima de los océanos es intuitivamente fácil de comprender: la cantidad de agua evaporable es evidentemente muy importante en esas regiones donde, además, las principales corrientes oceánicas asegurarán siempre el aporte de agua necesaria para el mantenimiento del equilibrio.
Los procesos de convergencia y divergencia de los flujos de vapor de agua en la atmósfera tienen también una influencia detectable en el grado de salinidad de las capas superficiales de las aguas oceánicas. El grado de salinidad, en efecto, es superior en las zonas de fuerte divergencia, donde la evaporación es importante; en cambio, en las regiones ecuatoriales de convergencia, caracterizadas por un exceso de agua dulce procedente de las precipitaciones, el agua del mar está ligeramente «diluida». Esto es lo que ocurre, en particular, en las regiones ecuatoriales de los océanos Atlántico, Pacífico e Índico.
El transporte del vapor de agua, que se efectúa en las regiones inferiores de la troposfera, reino de los fenómenos meteorológicos, está considerablemente afectado por la topografía terrestre. Se constata que la ausencia de cade-nas montañosas en la costa occidental de Europa favorece una importante penetración de aire húmedo en este conti-nente hasta las regiones mediterráneas. En Norteamérica, al contrario, las Montañas Rocosas, paralelas a la costa oeste, impiden la penetración del aire húmedo pro-cedente del océano Pacífico. La mayoría de las precipitaciones de este continente parecen proceder, en todas las estaciones, de la penetración del vapor de agua evaporado en las aguas cálidas del golfo de México. La cordillera de los Andes juega un papel de barrera semejante en Sudamérica, donde la mayor parte de las precipitaciones proceden de las aguas de evaporación del océano Atlántico.
estas dos fases pueden existir en equilibrio. El punto en que las tres curvas coinciden se llama punto triple y que para el agua es 0,01°C y 0,006atm. Esta es la única condición en las cuales estas tres fases (sólida, liquida y gaseosa)pueden estar en equilibrio entre si. La temperatura del punto triple es muy próxima al llamado punto de la congelación. Los diagramas de fases permiten predecir los cambios en el punto de fusión y punto de ebullición de una sustancia como resultado de cambios en la presión externa; También se puede anticipar las direcciones de las transiciones de fases provocadas por cambio en la temperatura y presión.
Si despreciamos las pérdidas y las ganancias debidas al vulcanismo y a la subducción, el balance total es cero. Pero si nos fijamos en los océanos, se comprueba que este balance es negativo; se evapora más de lo que precipita en ellos. Y en los continentes hay un superávit; precipita más de lo que se evapora. Estos déficit y superávit se compensan con las escorrentías, superficial y subterránea, que vierten agua del continente al mar.
