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Ciclo del agua

Diagrama detallado que representa el ciclo global del agua. La dirección del movimiento del agua entre los embalses tiende hacia el movimiento ascendente por evapotranspiración ...

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Diagrama detallado que representa el ciclo global del agua. La dirección del movimiento del agua entre los embalses tiende hacia el movimiento ascendente por evapotranspiración y el movimiento descendente por gravedad . El diagrama también muestra cómo el uso humano del agua influye en dónde se almacena y cómo se mueve. [ 1 ]

El ciclo del agua (o ciclo hidrológico ) es un ciclo biogeoquímico que implica el cambio continuo de forma del agua en, sobre y bajo la superficie de la Tierra a través de diferentes reservorios. La masa de agua en la Tierra permanece relativamente constante a lo largo del tiempo. [ 2 ] Sin embargo, la distribución del agua en los principales reservorios de hielo , agua dulce , agua salada y agua atmosférica es variable y depende de variables climáticas . El agua se mueve de un reservorio a otro, como de un río al océano o del océano a la atmósfera, debido a una variedad de procesos físicos y químicos. Los procesos que impulsan estos movimientos, o flujos , son la evaporación , la transpiración , la condensación , la precipitación , la sublimación , la infiltración , la escorrentía superficial y el flujo subsuperficial. Al hacerlo, el agua pasa por diferentes fases: líquida, sólida ( hielo ) y gaseosa . El océano desempeña un papel clave en el ciclo del agua, ya que es la fuente del 86% de la evaporación global. [ 3 ]

El ciclo del agua se basa en intercambios de energía en forma de transferencias de calor entre diferentes fases. La energía liberada o absorbida durante un cambio de fase puede provocar cambios de temperatura . [ 4 ] El calor se absorbe cuando el agua pasa de la fase líquida a la fase gaseosa mediante la evaporación. Este calor también se conoce como calor latente de vaporización. [ 5 ] Por el contrario, cuando el agua se condensa o se derrite del hielo sólido, libera energía y calor. A escala global, el agua desempeña un papel fundamental en la transferencia de calor desde los trópicos a los polos a través de la circulación oceánica. [ 6 ]

La fase de evaporación del ciclo también actúa como un proceso de purificación al separar las moléculas de agua de las sales y otras partículas presentes en su fase líquida. [ 7 ] La fase de condensación en la atmósfera reabastece la tierra con agua dulce. El flujo de agua líquida transporta minerales por todo el planeta. También remodela las características geológicas de la Tierra mediante procesos de meteorización, erosión y sedimentación. El ciclo del agua es esencial para el mantenimiento de la mayor parte de la vida y los ecosistemas del planeta.

Las acciones humanas están afectando enormemente el ciclo del agua. Actividades como la deforestación , la urbanización y la extracción de agua subterránea están alterando los paisajes naturales ( cambios en el uso del suelo ) y todas tienen un efecto en el ciclo del agua. [ 8 ] : 1153 Además, el cambio climático está llevando a una intensificación del ciclo del agua . Las investigaciones han demostrado que el calentamiento global está causando cambios en los patrones de precipitación, una mayor frecuencia de eventos climáticos extremos y cambios en el momento y la intensidad de las lluvias. [ 9 ] : 85 Estos cambios en el ciclo del agua afectan a los ecosistemas , la disponibilidad de agua , la agricultura y las sociedades humanas.

Descripción

Vídeo del ciclo del agua de la Tierra (NASA) [ 10 ]

Proceso general

El ciclo del agua se alimenta de la energía solar. Existen varias formas en que esto ocurre. Una de ellas es mediante la evaporación , donde la energía solar calienta el agua de océanos, lagos, arroyos, ríos, mares, estanques, etc., y esta agua experimenta un cambio de fase para convertirse en gas ( vapor de agua ) que asciende a la atmósfera. Otras dos formas en que el agua llega a la atmósfera son a través de la sublimación de la nieve y el hielo en vapor de agua y mediante la evapotranspiración , que es el agua transpirada por las plantas y evaporada del suelo.

Las nubes se forman porque las moléculas de agua tienen una masa molecular menor que los principales componentes gaseosos de la atmósfera (oxígeno, O₂ ; y nitrógeno, N₂ ); esta menor masa molecular hace que el agua tenga una menor densidad, lo que impulsa las moléculas de agua a mayor altura en la atmósfera debido a la flotabilidad . Sin embargo, a medida que aumenta la altitud, la presión del aire disminuye, lo que provoca un descenso de la temperatura . La menor temperatura obliga al vapor de agua a experimentar otro cambio de fase, esta vez obligándolo a condensarse en gotas de agua líquida que son sostenidas por una corriente ascendente; si hay suficientes de estas gotas de agua sobre una gran área, se considera una nube . La condensación del vapor de agua cerca del nivel del suelo se denomina niebla .

La circulación atmosférica mueve el vapor de agua por todo el planeta; las partículas de las nubes chocan, crecen y caen de las capas superiores de la atmósfera en forma de precipitación . Parte de la precipitación cae como nieve, granizo o aguanieve, y puede acumularse en casquetes polares y glaciares , que pueden almacenar agua congelada durante miles de años. La mayor parte del agua cae como lluvia de vuelta al océano o a la tierra, donde fluye sobre el suelo como escorrentía superficial . Una parte de esta escorrentía entra en los ríos, y el caudal de los arroyos transporta el agua hacia los océanos. La escorrentía y el agua que emerge del suelo ( agua subterránea ) pueden almacenarse como agua dulce en lagos. No toda la escorrentía fluye hacia los ríos; gran parte se infiltra en el suelo . Parte del agua se infiltra profundamente en el suelo y repone los acuíferos , que pueden almacenar agua dulce durante largos períodos de tiempo. Parte de la infiltración permanece cerca de la superficie terrestre y puede filtrarse de nuevo a los cuerpos de agua superficiales (y al océano) como descarga de agua subterránea o ser absorbida por las plantas y transferida de nuevo a la atmósfera como vapor de agua por transpiración . Parte del agua subterránea encuentra aberturas en la superficie terrestre y emerge en forma de manantiales de agua dulce. En los valles fluviales y llanuras aluviales , suele haber un intercambio continuo de agua entre el agua superficial y el agua subterránea en la zona hiporreica . Con el tiempo, el agua regresa al océano, continuando así el ciclo del agua.

El océano desempeña un papel fundamental en el ciclo del agua. El océano contiene el 97 % del agua total del planeta; el 78 % de las precipitaciones mundiales se producen sobre el océano, y es la fuente del 86 % de la evaporación mundial. [ 3 ]

Procesos que dan lugar a movimientos y cambios de fase en el agua.

Los procesos físicos importantes dentro del ciclo del agua incluyen (en orden alfabético):

  • Advección : El movimiento del agua a través de la atmósfera. [ 11 ] Sin advección, el agua que se evapora sobre los océanos no podría precipitarse sobre la tierra. Los ríos atmosféricos que transportan grandes volúmenes de vapor de agua a largas distancias son un ejemplo de advección. [ 12 ]
  • Condensación : Transformación del vapor de agua en gotas de agua líquida en el aire, creando nubes y niebla. [ 13 ]
  • Evaporación : Transformación del agua de fase líquida a gaseosa a medida que se mueve desde el suelo o cuerpos de agua hacia la atmósfera suprayacente. [ 14 ] La fuente de energía para la evaporación es principalmente la radiación solar . La evaporación a menudo incluye implícitamente la transpiración de las plantas , aunque juntas se denominan específicamente evapotranspiración . La evapotranspiración anual total asciende a aproximadamente 505 000 km³ ( 121 000 mi³ ) de agua, de los cuales 434 000 km³ (104 000 mi³ ) se evaporan de los océanos. [ 15 ] El 86 % de la evaporación global ocurre sobre el océano. [ 16 ]      
  • Infiltración : El flujo de agua desde la superficie del suelo hacia el subsuelo. Una vez infiltrada, el agua se convierte en humedad del suelo o agua subterránea. [ 17 ] Sin embargo, un estudio global reciente que utiliza isótopos estables del agua muestra que no toda la humedad del suelo está igualmente disponible para la recarga de aguas subterráneas o para la transpiración de las plantas. [ 18 ]
  • Percolación : El agua fluye verticalmente a través del suelo y las rocas bajo la influencia de la gravedad .
  • Precipitación : Vapor de agua condensado que cae a la superficie terrestre. La mayor parte de la precipitación se produce como lluvia , pero también incluye nieve , granizo , goteo de niebla , granizo blando y aguanieve . [ 19 ] Aproximadamente 505 000 km³ ( 121 000 mi³ ) de agua caen como precipitación cada año, 398 000 km³ (95 000 mi³ ) de ella sobre los océanos. [ 15 ] [ 20 ] La lluvia en tierra contiene 107 000 km³ ( 26 000 mi³ ) de agua por año y la nieve solo 1000 km³ (240 mi³ ) . [ 20 ] El 78 % de la precipitación global ocurre sobre el océano. [ 16 ]            
  • Escorrentía : La variedad de formas en que el agua se desplaza por la tierra. Esto incluye tanto la escorrentía superficial como la escorrentía de cauces . A medida que fluye, el agua puede filtrarse en el suelo, evaporarse en el aire, almacenarse en lagos o embalses, o ser extraída para usos agrícolas u otros usos humanos.
  • Flujo subsuperficial : El flujo de agua bajo tierra, en la zona vadosa y los acuíferos . El agua subsuperficial puede regresar a la superficie (por ejemplo, como un manantial o mediante bombeo) o, finalmente, filtrarse a los océanos. El agua regresa a la superficie terrestre a una elevación menor que la de su infiltración, bajo la fuerza de la gravedad o las presiones inducidas por la gravedad. El agua subterránea tiende a moverse lentamente y se repone lentamente, por lo que puede permanecer en los acuíferos durante miles de años. [ 21 ]
  • Transpiración : Liberación de vapor de agua de las plantas y del suelo al aire.

Tiempos de residencia

El tiempo de residencia de un embalse dentro del ciclo hidrológico es el tiempo promedio que una molécula de agua permanece en dicho embalse ( véase la tabla ). Es una medida de la edad promedio del agua en ese embalse.

El agua subterránea puede permanecer más de 10 000 años bajo la superficie terrestre antes de desaparecer. [ 23 ] El agua subterránea particularmente antigua se denomina agua fósil . El agua almacenada en el suelo permanece allí muy brevemente, ya que se encuentra dispersa en capas delgadas sobre la Tierra y se pierde fácilmente por evaporación, transpiración, flujo de arroyos o recarga de acuíferos. Tras evaporarse, el tiempo de residencia en la atmósfera es de aproximadamente 9 días antes de condensarse y caer a la Tierra en forma de precipitación.

Las principales capas de hielo —la Antártida y Groenlandia— almacenan hielo durante períodos muy largos. El hielo de la Antártida se ha datado con precisión en 800 000 años antes del presente, aunque el tiempo medio de permanencia es menor. [ 24 ]

En hidrología, los tiempos de residencia se pueden estimar de dos maneras. [ 25 ] [ 26 ] El método más común se basa en el principio de conservación de la masa ( balance hídrico ) y supone que la cantidad de agua en un embalse determinado es aproximadamente constante. Con este método, los tiempos de residencia se estiman dividiendo el volumen del embalse por la tasa a la que el agua entra o sale del mismo. Conceptualmente, esto es equivalente a calcular cuánto tiempo tardaría el embalse en llenarse desde vacío si no saliera agua (o cuánto tiempo tardaría en vaciarse desde lleno si no entrara agua).

Un método alternativo para estimar los tiempos de residencia, que está ganando popularidad para la datación de aguas subterráneas, es el uso de técnicas isotópicas . Esto se realiza en el subcampo de la hidrología isotópica .

Agua almacenada

Ciclo del agua que muestra las influencias humanas y los principales depósitos (almacenes) y flujos. [ 27 ]

El ciclo del agua describe los procesos que impulsan el movimiento del agua en toda la hidrosfera . Sin embargo, mucha más agua permanece almacenada durante largos periodos de tiempo que la que realmente circula por el ciclo. Los océanos son los principales depósitos de la gran mayoría del agua de la Tierra. Se estima que de los 1.386.000.000  km³ del suministro mundial de agua, unos 1.338.000.000 km³ se almacenan en los océanos, lo que representa aproximadamente el 97%. También se estima que los océanos suministran alrededor del 90% del agua evaporada que entra en el ciclo del agua. [ 28 ] Los casquetes polares, los glaciares y la capa de nieve permanente de la Tierra almacenan otros 24.064.000 km³ , lo que representa solo el 1,7% del volumen total de agua del planeta. Sin embargo, esta cantidad de agua constituye el 68,7% de toda el agua dulce del planeta. [ 29 ]  

Cambios causados ​​por los humanos

Cambios en la cobertura y el uso del suelo

Relación entre superficies impermeables y escorrentía superficial

Las actividades humanas pueden alterar el ciclo del agua a nivel local o regional. Esto ocurre debido a cambios en el uso y la cobertura del suelo . Dichos cambios afectan a la precipitación, la evaporación, las inundaciones, las aguas subterráneas y la disponibilidad de agua dulce para diversos usos. [ 8 ] : 1153

Ejemplos de cambios comunes en el uso del suelo incluyen la urbanización, la expansión agrícola y la deforestación. Estos cambios pueden aumentar la compactación del suelo y la superficie impermeable, lo que disminuye la capacidad de infiltración del suelo y provoca mayores tasas de escorrentía superficial. [ 30 ] La deforestación tiene efectos locales y regionales; a nivel local reduce la humedad del suelo, la evaporación, las precipitaciones y las nevadas; a nivel regional puede causar cambios de temperatura que afectan los patrones de lluvia. [ 8 ] : 1153

Las estructuras de gestión del agua, como las presas, los desagües pluviales y las tuberías de alcantarillado, también pueden alterar las condiciones hidrológicas locales. Las presas pueden alterar los caudales naturales, disminuir la calidad del agua y provocar la pérdida de hábitat para las especies acuáticas. [ 31 ] Los desagües pluviales funcionan para disminuir las tasas de escorrentía, regular los caudales y aumentar la recarga de aguas subterráneas. [ 32 ] Las fugas de las tuberías de alcantarillado pueden contribuir artificialmente a la recarga de aguas subterráneas, lo que resulta en mayores caudales base de los arroyos y contaminación de las aguas subterráneas. [ 33 ] Sin embargo, el agotamiento de las aguas subterráneas sigue siendo una preocupación constante, ya que se están bombeando a tasas insostenibles para satisfacer las demandas de agua municipales, industriales y agrícolas. [ 34 ]

Intensificación del ciclo del agua debido al cambio climático

Los fenómenos meteorológicos extremos (lluvias torrenciales, sequías , olas de calor ) son una consecuencia de la alteración del ciclo del agua debido al calentamiento global . Estos eventos serán cada vez más frecuentes a medida que la Tierra se caliente más. [ 35 ] : Figura SPM.6
Cambios previstos en la humedad media del suelo para un escenario de calentamiento global de 2 °C. Esto puede afectar a la agricultura y a los ecosistemas. Una reducción de la humedad del suelo de una desviación estándar significa que la humedad media del suelo será aproximadamente igual a la del noveno año más seco registrado entre 1850 y 1900 en esa ubicación.

Desde mediados del siglo XX, el cambio climático provocado por el ser humano ha dado lugar a cambios observables en el ciclo mundial del agua. [ 9 ] : 85 El Sexto Informe de Evaluación del IPCC de 2021 predijo que estos cambios seguirán creciendo significativamente a nivel mundial y regional. [ 9 ] : 85 Estos hallazgos son una continuación del consenso científico expresado en el Quinto Informe de Evaluación del IPCC de 2007 y otros informes especiales del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático que ya habían afirmado que el ciclo del agua seguirá intensificándose a lo largo del siglo XXI. [ 8 ]

Los efectos del cambio climático en el ciclo del agua son profundos y se han descrito como una intensificación o un fortalecimiento del ciclo del agua (también llamado ciclo hidrológico). [ 36 ] : 1079 Este efecto se ha observado desde al menos 1980. [ 36 ] : 1079 Un ejemplo es cuando los eventos de lluvias fuertes se vuelven aún más fuertes. Los efectos del cambio climático en el ciclo del agua tienen importantes efectos negativos en la disponibilidad de recursos de agua dulce , así como en otros reservorios de agua como los océanos , las capas de hielo , la atmósfera y la humedad del suelo . El ciclo del agua es esencial para la vida en la Tierra y juega un papel importante en el sistema climático global y la circulación oceánica . Se espera que el calentamiento de nuestro planeta esté acompañado de cambios en el ciclo del agua por varias razones. [ 37 ] Por ejemplo, una atmósfera más cálida puede contener más vapor de agua que tiene efectos en la evaporación y la lluvia .

La causa subyacente de la intensificación del ciclo del agua es el aumento de la cantidad de gases de efecto invernadero (GEI) en la atmósfera, que conducen a una atmósfera más cálida a través del efecto invernadero . [ 37 ] Las leyes fundamentales de la física explican cómo la presión de vapor de saturación en la atmósfera aumenta un 7 % cuando la temperatura aumenta 1  °C. [ 38 ] Esta relación se conoce como la ecuación de Clausius-Clapeyron .

La fuerza del ciclo del agua y sus cambios a lo largo del tiempo son de considerable interés, especialmente a medida que cambia el clima. [ 39 ] El ciclo hidrológico es un sistema en el que la evaporación de la humedad en un lugar conduce a la precipitación (lluvia o nieve) en otro. Por ejemplo, la evaporación siempre supera la precipitación sobre los océanos. Esto permite que la humedad sea transportada por la atmósfera desde los océanos hacia la tierra donde la precipitación supera la evapotranspiración . La escorrentía de la tierra fluye hacia arroyos y ríos y descarga en el océano, lo que completa el ciclo global. [ 39 ] El ciclo del agua es una parte clave del ciclo energético de la Tierra a través del enfriamiento evaporativo en la superficie que proporciona calor latente a la atmósfera, ya que los sistemas atmosféricos desempeñan un papel primordial en el movimiento del calor hacia arriba. [ 39 ]

Ciclo biogeoquímico

Si bien el ciclo del agua es en sí mismo un ciclo biogeoquímico , el flujo de agua sobre y debajo de la Tierra es un componente clave del ciclo de otros biogeoquímicos. [ 40 ] La escorrentía es responsable de casi todo el transporte de sedimentos erosionados y fósforo desde la tierra hacia los cuerpos de agua . [ 41 ] La salinidad de los océanos se deriva de la erosión y el transporte de sales disueltas desde la tierra. La eutrofización cultural de los lagos se debe principalmente al fósforo, aplicado en exceso a los campos agrícolas en fertilizantes , y luego transportado por tierra y río abajo. Tanto la escorrentía como el flujo de agua subterránea desempeñan papeles importantes en el transporte de nitrógeno desde la tierra hacia los cuerpos de agua. [ 42 ] La zona muerta en la salida del río Misisipi es consecuencia de los nitratos de los fertilizantes que son arrastrados desde los campos agrícolas y canalizados río abajo hasta el Golfo de México . La escorrentía también participa en el ciclo del carbono , nuevamente a través del transporte de roca y suelo erosionados. [ 43 ]

Pérdida lenta a lo largo del tiempo geológico.

El viento hidrodinámico en la parte superior de la atmósfera de un planeta permite que elementos químicos ligeros como el hidrógeno se muevan hacia la exobase , el límite inferior de la exosfera , donde los gases pueden alcanzar la velocidad de escape y entrar al espacio exterior sin impactar otras partículas de gas. Este tipo de pérdida de gas de un planeta al espacio se conoce como viento planetario . [ 44 ] Los planetas con atmósferas inferiores calientes podrían generar atmósferas superiores húmedas que aceleran la pérdida de hidrógeno. [ 45 ]

Interpretaciones históricas

En la antigüedad, se creía que la tierra flotaba sobre una masa de agua y que la mayor parte del agua de los ríos tenía su origen bajo tierra. Ejemplos de esta creencia se pueden encontrar en las obras de Homero ( c. 800 a. C. ).

En Trabajos y días (ca. 700 a. C.), el poeta griego Hesíodo describe la idea del ciclo del agua: "[El vapor] es extraído de los ríos que fluyen siempre y es elevado por encima de la tierra por la tormenta de viento, y a veces se convierte en lluvia al atardecer, y a veces en viento cuando el Bóreas de Tracia acumula las espesas nubes." [ 46 ]

En el antiguo Cercano Oriente , los eruditos hebreos observaron que, aunque los ríos desembocaban en el mar, este nunca se llenaba. Algunos eruditos concluyen que el ciclo del agua se describió completamente durante este tiempo en este pasaje: «El viento va hacia el sur y gira hacia el norte; gira continuamente y vuelve según su recorrido. Todos los ríos desembocan en el mar, pero el mar no se llena; al lugar de donde vienen los ríos, allí vuelven» ( Eclesiastés 1:6-7 ). [ 47 ] Además, también se observó que cuando las nubes estaban llenas, derramaban lluvia sobre la tierra ( Eclesiastés 11:3 ).

En el Adityahridayam (un himno devocional al dios Sol) del Ramayana , una epopeya hindú que data del siglo IV a. C., se menciona en el verso 22 que el Sol calienta el agua y la envía como lluvia. Hacia el año 500 a. C., los eruditos griegos especulaban que gran parte del agua de los ríos podía atribuirse a la lluvia. El origen de la lluvia también era conocido para entonces. Sin embargo, estos eruditos sostenían la creencia de que el agua que brotaba de la tierra contribuía en gran medida a los ríos. Ejemplos de este pensamiento fueron Anaximandro (570 a. C.) (quien también especuló sobre la evolución de los animales terrestres a partir de los peces [ 48 ] ) y Jenófanes de Colofón (530 a. C.). [ 49 ] Eruditos chinos del período de los Reinos Combatientes , como Chi Ni Tzu (320 a. C.) y Lu Shih Ch'un Ch'iu (239 a. C.), tenían ideas similares. [ 50 ]

La idea de que el ciclo del agua es un ciclo cerrado se encuentra en las obras de Anaxágoras de Clazómenas (460 a. C.) y Diógenes de Apolonia (460 a. C.). Tanto Platón (390 a. C.) como Aristóteles (350 a. C.) especularon sobre la percolación como parte del ciclo del agua. Aristóteles hipotetizó correctamente que el sol desempeñaba un papel en el ciclo hidráulico de la Tierra en su libro Meteorología , escribiendo: «Por su acción [la del sol], el agua más fina y dulce es transportada diariamente hacia arriba, se disuelve en vapor y asciende a las regiones superiores, donde se condensa de nuevo por el frío y así regresa a la tierra», y creía que las nubes estaban compuestas de vapor de agua enfriado y condensado. [ 51 ] [ 52 ] Al igual que el anterior Aristóteles, el científico chino Han Oriental Wang Chong (27-100 d. C.) describió con precisión el ciclo del agua de la Tierra en su Lunheng , pero fue rechazado por sus contemporáneos. [ 53 ]

Hasta la época del Renacimiento, se creía erróneamente que la precipitación por sí sola era insuficiente para alimentar los ríos y completar el ciclo del agua, y que el agua subterránea que ascendía desde los océanos era la principal fuente de agua fluvial. Bartolomé de Inglaterra (1240 d. C.), Leonardo da Vinci (1500 d. C.) y Atanasio Kircher (1644 d. C.) compartían esta opinión .

Descubrimiento de la teoría correcta

El primer pensador que afirmó que la lluvia por sí sola era suficiente para el mantenimiento de los ríos fue Bernard Palissy (1580 d. C.), a quien a menudo se le atribuye el descubrimiento de la teoría moderna del ciclo del agua. Las teorías de Palissy no fueron sometidas a pruebas científicas hasta 1674, en un estudio comúnmente atribuido a Pierre Perrault . Incluso entonces, estas creencias no fueron aceptadas por la ciencia convencional hasta principios del siglo XIX. [ 54 ]

Véase también

Referencias

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