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Calor e Padrões de Circulação Curso: Ciências Biológicas Matéria: Limnologia Prof. José Fernandes Bezerra Neto.

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1 Calor e Padrões de Circulação Curso: Ciências Biológicas Matéria: Limnologia Prof. José Fernandes Bezerra Neto

2 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?

3 Propriedades da água

4 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

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

6 Formam um tetraedro quando congelam Temperatura (ºC) Densidade da água (g.cm -3 ) 1000, , ,999 41,000 00,917

7

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 Kalff 2002 Será que o calor mostra o mesmo padrão?

12 Não! Temperatura (°C) Profundidade (m) Epilímnio Hipolímnio Metalímnio Termoclina

13 Epilímnio Camada superior Quente (menos densa) Bem misturado Hipolímnio Camada inferior Frio (mais densa) Sem luz Duas massas de água separadas onde há pouca mistura TERMOCLINA

14 Esta condição em que, na coluna de água, observa-se que duas camadas não se misturam é conhecido como ESTRATIFICAÇÃO TÉRMICA Estabilidadeprobabilidade que um lago estratificado permaneça estratificado Irá depender da diferença de densidade entre as duas camadas

15 (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)

16 (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?

17 = 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

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

19 Profundidade Temperatura x 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 x x Temperatura – dia com vento

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

22 Um lago com a profundidade máxima de 4m pode estratificar se ele está numa bacia protegida Lago Bullhead Área = 0.02 km 2 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 km 2 Fetch = 33 km

24 Temperatura (°C) Profundidade (m) (1) Verão O epilímnio é aquecido O hipolímnio está isolado Forte estratificação térmica Como os lagos estratificam? Variação anual

25 Temperatura (°C) Profundidade (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

26 Como os lagos estratificam? Variação anual Temperatura (°C) Profundidade (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

27 Temperatura (°C) Profundidade (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

28 Temperatura (°C) Profundidade (m) (5) Final da primavera Com o estabelecimento da diferença de densidade, o epilímnio flutua sobre o hipolímnio Como os lagos estratificam? Variação anual

29 Wind Hipolímnio Metalímnio Epilímnio -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 25 o para 15 o vs. 15 o para 5 º Padrões de circulação em lagos estratificados

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

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

32 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 Padrões de mistura

33 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

34 Lagos monomíticos quentes um período de mistura Estratificação térmica no verão Não congelam e apenas misturam no inverno Kalff 2002 Holomíticos: os lagos circulam completamente Lagoa Carioca, MG

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

36 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

37 Representação diagramática de um regime de mistura dimítico

38 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

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

40 Lago Tanganyika Exemplos de meromixia entrada de sais devido à atividade biológica (decomposição) Z m > 1400 m Área = 32,000 km 2

41 Muitos anos de Mistura incompleta

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

43 Monitoramento Intensivo em Tempo Real

44 Estratificação térmica e estratificação química de lagos


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