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

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?

Propriedades da água

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.

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

Densidade da água (g.cm-3) Formam um tetraedro quando congelam Temperatura (ºC) Densidade da água (g.cm-3) 100 0,958 25 0,997 10 0,999 4 1,000 0,917

Uma importante conseqüência das pontes de hidrogênio e as relações de densidade : O gelo flutua

Diversos organismos vivem sobre o filme superficial 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

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

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

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

Irá depender da diferença de densidade entre as duas camadas 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

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)

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

Como os lagos estratificam? Variação anual 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 6 7 8 9 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

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

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

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

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

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

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

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

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

Representação diagramática de um regime de mistura dimítico

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

Meromíticos: lagos que são quimicamente estratificados Termoclina Mixolímnio Quemoclina Monimolímnio

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

Muitos anos de Mistura incompleta

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

Monitoramento Intensivo em Tempo Real

Estratificação térmica e estratificação química de lagos