Calor e Padrões de Circulação
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Calor e Padrões de Calor e Padrões de CirculaçãoCirculação
Curso: Teoria e Métodos em LimnologiaEPAMIG, 29 de Janeiro a 1 de fevereiro, 2008
Prof. José Fernandes Bezerra Neto Prof. Ricardo Motta Pinto Coelho
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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?
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Propriedades da água
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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.
Propriedades físico-químicas da água
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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:
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Formam um tetraedro quando congelam
Temperatura Temperatura (ºC)(ºC)
Densidade da água Densidade da água (g.cm(g.cm-3-3))
100100 0,9580,9582525 0,9970,9971010 0,9990,99944 1,0001,00000 0,9170,917
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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!
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Uma importante conseqüência das pontes de hidrogênio e as relações de densidade :
O gelo flutua !
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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
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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
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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
dept
h (m
)
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Não!
Pro
fund
idad
e (m
)
5 10 15 20 25 30
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Temperatura (°C)
Epilímnio
Hipolímnio
MetalímnioTermoclina
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EpilímnioCamada superiorQuente (menos densa)Bem misturado
HipolímnioCamada inferiorFrio (mais densa)Sem luz
Duas massas de água separadas onde há pouca mistura
TERMOCLINA
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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
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(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)
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(2) Efeito do ventoA difusão molecular do calor é lento, o vento precisa misturar o calor para as águas mais profundas
Porque os lagos se estratificam e desestratificam?
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= 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
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Prof
undi
dade
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
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Prof
undi
dade
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
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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
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- A morfometria do lago
- Geografia
- A claridade da água
- Clima
Os padrões de mistura podem ser influenciados por:
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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 30Temperature (C)
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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
)
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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
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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
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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
![Page 27: Calor e Padrões de Circulação](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022061602/56816039550346895dcf58d2/html5/thumbnails/27.jpg)
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
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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
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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
![Page 30: Calor e Padrões de Circulação](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022061602/56816039550346895dcf58d2/html5/thumbnails/30.jpg)
isotermas
Como podemos representar os parões sazonais em apenas um gráfico?
Diagrama profundidade-tempo
Wetzel 2001
![Page 31: Calor e Padrões de Circulação](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022061602/56816039550346895dcf58d2/html5/thumbnails/31.jpg)
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
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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
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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
![Page 34: Calor e Padrões de Circulação](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022061602/56816039550346895dcf58d2/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 35: Calor e Padrões de Circulação](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022061602/56816039550346895dcf58d2/html5/thumbnails/35.jpg)
Representação diagramática de um regime de mistura monomítico quente
Verão
Outono
InvernoPrimavera
![Page 36: Calor e Padrões de Circulação](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022061602/56816039550346895dcf58d2/html5/thumbnails/36.jpg)
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
![Page 37: Calor e Padrões de Circulação](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022061602/56816039550346895dcf58d2/html5/thumbnails/37.jpg)
Representação diagramática de um regime de mistura dimítico
![Page 38: Calor e Padrões de Circulação](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022061602/56816039550346895dcf58d2/html5/thumbnails/38.jpg)
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
![Page 39: Calor e Padrões de Circulação](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022061602/56816039550346895dcf58d2/html5/thumbnails/39.jpg)
Meromíticos: lagos que são quimicamente estratificados
Monimolímnio
Mixo
límni
o
Termoclina
Quemoclina
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Lago Tanganyika
Exemplos de meromixia — entrada de sais devido à atividade biológica (decomposição)
Zm > 1400 mÁrea = 32,000 km2
![Page 41: Calor e Padrões de Circulação](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022061602/56816039550346895dcf58d2/html5/thumbnails/41.jpg)
Muitos anos de
Mistura incompleta
![Page 42: Calor e Padrões de Circulação](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022061602/56816039550346895dcf58d2/html5/thumbnails/42.jpg)
Sonda YSITemperatura e OD
Sensores para coleta de dados
Sonda de múltiplos parâmetros YSI
![Page 43: Calor e Padrões de Circulação](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022061602/56816039550346895dcf58d2/html5/thumbnails/43.jpg)
Monitoramento Intensivo em Tempo RealMonitoramento Intensivo em Tempo Real
![Page 44: Calor e Padrões de Circulação](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022061602/56816039550346895dcf58d2/html5/thumbnails/44.jpg)
Estratificação térmica e estratificação química de lagos