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Ciclo del agua

El ciclo del agua, también llamado ciclo hidrológico, describe el movimiento continuo de agua a nivel, arriba y debajo de la superficie de la Tierra. La masa de agua en la Tierra permanece bastante constante a lo largo del tiempo, pero la división del agua en los principales reservorios de hielo, agua dulce, agua salina y agua atmosférica es variable dependiendo de una amplia gama de variables climáticas.

El agua se mueve de un depósito a otro, como de ríos a océanos, o de los océanos a la atmósfera, por los procesos físicos de evaporación, condensación, precipitación, infiltración, escorrentía superficial y flujo subsuperficial. Al hacerlo, el agua pasa por diferentes formas o estados de la materia: líquido, sólido (hielo) y vapor.

El ciclo del agua implica intercambio de energía, lo que conduce a cambios de temperatura. Cuando el agua se evapora, absorbe la energía de su entorno y enfría el medio ambiente. Cuando se condensa, libera energía y calienta el medio ambiente. Como todo esto es un sistema interrelacionado estos intercambios de calor basados en simples leyes de la termodinamica, influyen en el clima.

La fase de evaporación del ciclo purifica el agua que luego se repone a la tierra con agua dulce. El flujo de agua líquida y helada transporta minerales por todo el mundo. También está involucrada en la remodelación de las características geológicas de la Tierra, a través de procesos que incluyen la erosión y la sedimentación.

El ciclo del agua también es esencial para el mantenimiento de la mayoría de los ecosistemas y la vida en el planeta.

Descripcion del ciclo del agua paso a paso

El sol, que impulsa el ciclo del agua, calienta el agua en océanos y mares. El agua se evapora como vapor de agua en el aire. Algo de hielo y nieve se sublima directamente en el vapor de agua. La evapotranspiración es agua que se transpira de las plantas y se evapora del suelo.

La molécula de agua H2O tiene una masa molecular más pequeña que la de los componentes principales de la atmósfera, nitrógeno y oxígeno, N2 y O2, por lo tanto es menos densa.

Debido a la diferencia significativa en la densidad, la flotabilidad impulsa el aire húmedo más alto en la atmosfera. A medida que aumenta la altitud, la presión del aire disminuye y la temperatura baja (ver leyes de los gases).

La temperatura más baja hace que el vapor de agua se condense en pequeñas gotas de agua líquida que son más pesadas que el aire, y caen a menos que estén apoyadas por una corriente ascendente.

Una gran concentración de estas gotitas en un gran espacio en la atmósfera se vuelve visible como una nube. Si alguna condensación está cerca del nivel del suelo se le llama niebla.

La circulación atmosférica mueve el vapor de agua alrededor del globo terráqueo, las partículas de las nubes colisionan, crecen y caen de las capas atmosféricas superiores en forma de precipitación.

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Algunas precipitaciones caen como nieve o granizo, aguanieve, y pueden acumularse como casquetes de hielo y glaciares, que pueden almacenar agua congelada durante miles de años.

La mayoría del agua vuelve a los océanos o a la tierra como lluvia, donde el agua fluye por el suelo como escorrentía superficial. Una parte de la escorrentía ingresa a los ríos en los valles del paisaje, y el flujo de agua mueve el agua hacia los océanos. La escorrentía y el agua que emerge del suelo (aguas subterráneas) pueden almacenarse como agua dulce en lagos.

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No toda la escorrentía desemboca en los ríos, gran parte de la cual se infiltra en el suelo. Parte del agua se infiltra en las profundidades del suelo y repone los acuíferos, que pueden almacenar agua dulce durante largos períodos de tiempo en las capas freaticas.

Algunas infiltraciones permanecen cerca de la superficie de la tierra y pueden filtrarse hacia cuerpos de aguas superficiales (y el océano) a medida que se descarga el agua subterránea. Algunas aguas subterráneas encuentran aberturas en la superficie de la tierra y salen como manantiales de agua dulce.

En los valles de los ríos y las llanuras de inundación, a menudo hay un intercambio continuo de agua entre las aguas superficiales y subterráneas en la zona hiporreica. Con el tiempo, el agua vuelve al océano para continuar el ciclo del agua.

Procesos del ciclo del agua

Muchos procesos diferentes conducen a movimientos y cambios de fase en el agua. Veamos cuáles son:

Precipitación

Se refiere al Vapor de agua condensada que cae a la superficie de la Tierra. La mayoría de la precipitación ocurre como lluvia, pero también incluye nieve, granizo, neblina, graupel y aguanieve.

Aproximadamente 505.000 km3 (121.000 pies cúbicos) de agua caen como precipitación cada año, 398.000 km3 (95.000 pies cúbicos) de ella cae sobre los océanos. La lluvia en tierra contiene 107.000 km3 (26.000 pies cúbicos) de agua por año y nevando solo 1.000 km3 (240 pies cúbicos).  El 78% de la precipitación mundial ocurre sobre los océanos.

Intercepción del dosel

Es la precipitación que es interceptada por el follaje de las plantas, hierbas y hojarasca que finalmente se evapora a la atmósfera en lugar de caer al suelo.

Deshielo

Es la escorrentía del agua  producto del derretimiento de la nieve.

Escorrentía

Es la variedad de formas en que el agua se mueve a través de la tierra. Esto incluye la escorrentía superficial y la escorrentía del flujo de agua en arroyos, ríos y otros canales. A medida que fluye, el agua puede almacenarse en lagos o embalses, filtrarse en el suelo, evaporarse en el aire o extraerse para usos agrícolas u otros usos para seres humanos.

Infiltración

Es el flujo de agua desde la superficie del suelo hacia su interior. Una vez infiltrada, el agua se convierte en humedad del suelo o agua subterránea. Sin embargo, un estudio global reciente que utilizó isótopos estables en el agua muestra que no toda la humedad del suelo está igualmente disponible para la recarga del agua subterránea o para la transpiración de las plantas.

Flujo subsuperficial

Es el flujo de agua subterránea, en en los acuíferos y la zona vadosa. El agua subsuperficial puede retornar a la superficie (por ejemplo, por bombeo humano o como un manantial) o, de forma eventual, filtrarse a los océanos.

El agua retorna a la superficie de la tierra a una menor altura con relación a donde se infiltró, por la fuerza de la gravedad directamente o por presiones inducidas por ésta. El agua subterránea es de tenbdencia a moverse lentamente y a reponerse lentamente, por lo que su permanencia en los acuíferos puede durar miles de años.

Evaporación

Es la transformación del agua de las fases líquidas a las gaseosas a medida que se mueve desde el suelo o las masas de agua hacia la atmósfera suprayacente. La fuente principal de energía para lograr la evaporación es  la radiación del sol.

La evaporación a menudo incluye implícitamente la transpiración de las plantas, aunque juntas se las conoce específicamente como evapotranspiración.

La evapotranspiración anual total asciende a aproximadamente 505.000 km3 (121,000 pies cúbicos) de agua,  de los cuales se evapora de los océanos 434.000 km3 (104,000 pies cúbicos).  Un 86% de la evaporación mundial ocurre sobre los océanos.

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Sublimación

El estado cambia directamente de sólido (hielo o nieve) a vapor de agua sin pasar por el estado líquido.

Sublimación inversa

Esto se refiere al cambio de vapor de agua directamente a hielo.

Advección

Es el movimiento del agua a través de la atmósfera.  Sin advección, el agua que se evaporó sobre los océanos no podría precipitar sobre la tierra.

Condensación

Se refiere a la transformación del vapor de agua en gotas de agua líquida en el aire, creando nubes y niebla.

Transpiración

La liberación de vapor de agua de las plantas y el suelo en el aire.

Filtración

El agua fluye verticalmente a través del suelo y las rocas bajo la influencia de la gravedad.

Placas tectónicas

El agua entra al manto a través de la subducción de la corteza oceánica. El agua vuelve a la superficie a través del vulcanismo.

El ciclo del agua involucra muchos de estos procesos.

Tiempo de permanencia

Esta es una medida de la edad que en promedio pasa una molécula de agua en un determinado embalse o reservorio que pertenece al ciclo hidrologico, a saber oceanos, glaciares, lagos, aguas subterraneas, rios, atmosfera, Antartida, etc.

El tiempo de permanencia en un embalse de agua dentro del ciclo hidrológico que está molécula deberá pasar formando parte de la reserva de agua donde está ubicada.

Tomando como ejemplo el agua subterránea, ésta puede pasar hasta más de 10000 años debajo de la superficie terrestre antes de que pueda subir y formar parte de los otras fases del ciclo de agua. Existen reservorio de agua particularmente viejos a los cuales se les llama agua fósil.

Por otro lado, el agua que se almacena a nivel del suelo permanece allí por muy breve periodo de tiempo ya que ocupa un área relativamente pequeña de la superficie terrestre qué puede transformarse fácilmente debido al flujo de agua, la recarga de aguas subterráneas, transpiración o evaporación.

Cuando el agua se encuentra en forma de gas luego de evaporarse sólo tarda un aproximado de 9 días antes de que ocurra la condensación y pueda caer a la superficie en forma de precipitación.

En la Antártida y Groenlandia, qué son las principales reservorios de agua en forma de hielo, se pueden almacenar grandes cantidades durante períodos bastante prolongados. Es de esta forma qué es la Antártida se han tomado muestras de hielo que datan de hace más de 800.000 años aunque su tiempo de permanencia promedio es más corto.

En el campo de la hidrología los tiempos de permanencia del agua en esta reserva se pueden estimar de dos formas. El método que más se utiliza está basado en el principio de conservación de la masa por los que suponen que la cantidad de litros de agua en un embalse o depósito dado debe ser más o menos de magnitud constante.

Usando esta metodología, los tiempos de permanencia se pueden estimar al hacer una división entre el volumen de agua que se encuentra en el depósito por la velocidad con qué líquido sale o entra del reservorio.

De forma conceptual, esto equivaldría a medir el tiempo que tarda un depósito en llenarse estando vacío (o lo que es igual, el tiempo que tardaría el depósito en vaciarse completamente si no le entrara agua).

El otro método alternativo que se usa para hacer estimaciones de los tiempos de permanencia actualmente está ganando popularidad entre los expertos de agua subterránea y el cual hace uso de técnicas isotópicas en un campo de la ciencia que se conoce como hidrología de isótopos.

Cambios del agua a través del tiempo

El ciclo del agua se encarga de describir todos los procesos que logran impulsar el movimiento de ésta por toda la hidrosfera. Sin embargo, no toda el agua que está en movimiento está afectando el ciclo hidrológico ya que existe mucha más agua “almacenada” que no está formando parte en este momento del agua en movimiento.

Esta agua ha estado inactiva durante largos periodos de tiempo pero hoy en día está siendo añadida de forma mucho más rápida al ciclo hidrológico debido al calentamiento global y otros factores como la perforación de pozos para consumo humano y animal.

Los océanos son el depósito final por excelencia para la mayor parte de toda el agua en el planeta. Se estima que de los 1.386.000.000 km3 del suministro de agua del mundo, alrededor de 1.338.000.000 km3 se almacenan en los océanos.

Eso es alrededor del 97%. Igualmente se tiene estimado que aproximadamente el 90% del agua que se evapora proviene de los océanos por lo que éstos son muy importantes en el ciclo del agua de planeta Tierra.

ciclo del agua para niñosEs bien conocido que durante la ocurrencia de periodos climáticos con temperaturas más bajas se forman más glaciares y capas de hielo, por lo que una cantidad importante del total de agua mundial es acumulada en forma de hielo lo que disminuye las cantidades de agua en otras partes del ciclo.

En los períodos donde las temperaturas son más cálidas o calurosas ocurre un efecto contrario.

Existen pruebas que durante la última edad del hielo casi un tercio de la masa terrestre del planeta fue cubierta por los glaciares lo que dio como resultado que los océanos en ese momento estaban 122 m más bajos que en nuestra era actual. Durante el último “hechizo cálido” mundial, hace unos 125.000 años, los mares eran aproximadamente 5,5 m (18 pies) más altos que lo que son ahora.

Se calcula que hace unos tres millones de años la altura de los océanos pudo haber llegado hasta unos 50 metros más que en la actualidad.

El consenso científico expresado en el Resumen del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático (IPCC por sus siglas en ingles) 2007, para los responsables políticos, es que el ciclo del agua continúe intensificándose a lo largo del siglo XXI, aunque esto no significa que la precipitación aumentará en todas las regiones.

En áreas terrestres subtropicales, lugares que ya son relativamente secos, se prevé una disminución de las precipitaciones durante el siglo XXI, lo que aumenta la probabilidad de sequía.

Se calcula que esta sequía estará más acentuada en los márgenes en los márgenes cercanos a los polos de los trópicos (por ejemplo, el suroeste de los Estados Unidos, el sur de Australia, Sudáfrica y la Cuenca del mar Mediterráneo).

Se proyecta que en las regiones cercanas al ecuador aumenten las cantidades anuales de precipitación las cuales tienden a estar con clima húmedo en la actualidad. Esto también podría ocurrir en latitudes más altas.

Las simulaciones de modelos climáticos que se realizan en varios centros de investigación internacionales presentan estos patrones sin presentar dudas al respecto.

Ahora hay amplia evidencia de que la mayor variabilidad hidrológica y el cambio climático han tenido y continuarán teniendo un profundo impacto en el sector hídrico a través del ciclo hidrológico, la disponibilidad de agua, la demanda de agua y la asignación de agua a nivel mundial, regional, de cuenca y local.

La investigación publicada en 2012 en Science basada en la salinidad del océano superficial durante el período de 1950 a 2000 confirma esta proyección de un ciclo global intensificado del agua con áreas saladas que se vuelven más salinas y áreas más frescas que se vuelven más humedas durante el período:

“La termodinámica fundamental y los modelos climáticos sugieren que las regiones secas se volverán más secas y las regiones húmedas se volverán más húmedas en respuesta al calentamiento. Los esfuerzos para detectar esta respuesta a largo plazo en observaciones superficiales dispersas de lluvia y evaporación siguen siendo ambiguas. Mostramos que los patrones de salinidad del océano expresan una huella identificable de un ciclo de agua que se intensifica. Nuestros 50 años de cambios en la salinidad de la superficie mundial observados, combinados con los cambios de los modelos climáticos globales, presentan una evidencia sólida de un ciclo mundial del agua intensificado a una tasa de 8 ± 5% por grado de calentamiento de la superficie. Esta tasa es el doble de la respuesta proyectada por los modelos climáticos de la generación actual y sugiere que se producirá una intensificación sustancial (del 16 al 24%) del ciclo global del agua en un mundo futuro 2 ° a 3 ° más cálido.”

Un instrumento llevado por el satélite SAC-D Aquarius, lanzado en junio de 2011, midió la salinidad global de la superficie del mar. La retirada glacial es también un ejemplo de un ciclo cambiante del agua, donde el suministro de agua a los glaciares debido a la precipitación no puede seguir el ritmo de la pérdida de agua por fusión y sublimación.

El retiro glacial desde 1850 ha sido extenso, por decirlo de forma amable.

Las actividades humanas que alteran el ciclo del agua incluyen:

  • Agricultura
  • Industria
  • Alteración de la composición química de la atmósfera
  • Construcción de presas
  • Deforestación y forestación
  • Eliminación de agua subterránea de pozos
  • Extracción de agua de los ríos
  • Urbanización

Efectos del ciclo del agua sobre el clima

El ciclo del agua se alimenta de energía solar. Los océanos produce el 86% de la evaporación de agua en el planeta logrando así reducir la temperatura por efecto de enfriamiento evaporativo. Sin este enfriamiento la evaporación afectaría gravemente a el efecto invernadero pudiendo llegar a temperaturas tan altas como 67 grados centígrados creando así un planeta mucho más caluroso.

La disminución o sobrerreflexión del acuífero y el bombeo de agua fósil aumentan la cantidad total de agua en la hidrosfera, y se ha postulado que contribuye al aumento del nivel del mar.

Efectos sobre el ciclo biogeoquimico

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. Casi todo el transporte de los sedimentos erosionados y del fósforo y minerales que están en la tierra llegan a los cuerpos de agua gracias a la escorrentía. La erosión y el transporte de sales disueltas en la tierra producen la salinidad de los océanos.

ciclo biogeoquimico - ciclo del agua

El fósforo es el actor principal de la eutrofización cultural de los lagos. Este elemento está siendo aplicado de forma excesiva en los campos agrícolas como fertilizante por lo que la escorrentía lo transporta por tierra hasta fuentes de aguas como los ríos.

Los flujos de agua subterráneos y las escorrentías superficiales tiene un papel fundamental en la transportación de nitrógeno (otro fertilizante muy usado) que va de la superficie terrestre a los reservorios de agua.

La zona muerta en la desembocadura del río Mississippi es una consecuencia de los nitratos de los fertilizantes que se llevan de los campos agrícolas y se canalizan por el sistema fluvial hasta el Golfo de México. El carbono es otro elemento que depende fundamentalmente de las escorrentías que lo transporta hasta la agua luego que estas lo toman de las rocas y de los suelos que van erosionando.

Perdida de agua lenta sobre el tiempo geológico

El viento hidrodinámico dentro de la porción superior de la atmósfera de un planeta permite que elementos químicos ligeros como el hidrógeno se muevan hasta la exobase, el límite inferior de la exosfera, donde los gases pueden alcanzar la velocidad de escape, ingresando 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.  Los planetas con atmósferas bajas calientes podrían generar atmósferas superiores húmedas que aceleran la pérdida de hidrógeno. Esto no es bueno para nuestro planeta Tierra.

Historia de la teoría del ciclo hidrológico

historia del ciclo del agua - hidrologico

Masa de tierra flotante

En la antigüedad, se pensaba que la masa de tierra flotaba en una masa de agua, y que la mayor parte del agua de los ríos tenía su origen debajo de la tierra. Ejemplos de esta creencia se pueden encontrar en las obras de Homero (800 AC).

Fuente de lluvia

En el antiguo Oriente Próximo, eruditos hebreos observaron que a pesar de que los ríos corrían hacia el mar, el mar nunca se llenó (Eclesiastés 1: 7). 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 constantemente, y el viento vuelve de nuevo según sus circuitos.

Todos los ríos corren hacia el mar, pero el mar no está lleno, hacia el lugar de donde vienen los ríos, allá vuelven “(Eclesiastés 1: 6-7, RV).  Los estudiosos no están de acuerdo en cuanto a la cita de Eclesiastés, aunque la mayoría de los estudiosos señalan una cita durante el tiempo de Salomón, el hijo de David y Betsabé, “hace tres mil años,  hay algún acuerdo de que el período de tiempo es 962-922 AC.

También se observó que cuando las nubes estaban llenas, vaciaban la lluvia sobre la tierra (Eclesiastés 11: 3). Además, durante el periodo 793-740 aC, un profeta hebreo, Amos, afirmó que el agua proviene del mar y se vierte en la tierra (Amos 5: 8, 9: 6).

Precipitación y percolación

En el Adityahridayam (un himno devocional al Dios Sol) de Ramayana, una epopeya hindú que data del siglo IV AC, en el verso 22 se menciona que el Sol calienta el agua y la arroja como lluvia. Alrededor de 500 A.C., los eruditos griegos especulaban que gran parte del agua en los ríos se puede atribuir a la lluvia.

El origen de la lluvia también era conocido por ese entonces. Estos eruditos mantuvieron la creencia, de que el agua que se elevaba a través de la tierra contribuía en gran medida a los ríos.

Los ejemplos de este pensamiento incluyen a Anaximandro (570 AC) (quien también especuló sobre la evolución de los animales terrestres de los peces) y Jenófanes de Colofón (530 AC).  Los estudiosos chinos como Chi Ni Tzu (320 AC) y Lu Shih Ch’un Ch’iu (239 AC) tenían pensamientos similares.

La idea de que el ciclo del agua es un ciclo cerrado se puede encontrar en las obras de Anaxagoras de Clazomenae (460 AC) y Diógenes de Apolonia (460 AC). Tanto Platón (390 AC) como Aristóteles (350 AC) especulaban sobre la percolación como parte del ciclo del agua.

Unicamente Precipitación

En el Libro bíblico de Job, fechado entre los siglos VII y II AC, hay una descripción de la precipitación en el ciclo hidrológico, “Porque hace pequeñas las gotas de agua: vierten la lluvia según el vapor de eso, que las nubes caen y destilan abundantemente sobre el hombre“(Job 36: 27-28, KJV).

Hasta el Renacimiento, se pensaba que la precipitación por sí sola no era suficiente para alimentar ríos, para completar un ciclo de agua, y que las aguas subterráneas que empujaban hacia arriba desde los océanos eran los principales contribuyentes al agua de los ríos. Bartholomew de Inglaterra sostuvo esta visión (1240D C), al igual que Leonardo da Vinci (1500 DC) y Athanasius Kircher (1644 DC).

El primer pensador publicado en afirmar que la lluvia sola fue suficiente para el mantenimiento de los ríos fue Bernard Palissy (1580 DC), quien a menudo es acreditado como el “descubridor” de la teoría moderna del ciclo del agua.

Las teorías de Palissy no se probaron científicamente hasta 1674, en un estudio comúnmente atribuido a Pierre Perrault. Incluso entonces, estas creencias no fueron aceptadas en la ciencia convencional hasta principios del siglo XIX.

Conclusion final sobre el Ciclo del Agua

El ciclo hidrologico es fundamental para la vida en el planeta. El hecho de que en el ultimo siglo se está añadiendo mas agua activa al ciclo, producto del deshielo por el calentamiento global, está provocando muchas consecuencias sobre el equilibrio natural de los ultimos millones de años.

Es de suponer que la naturaleza en su sabiduría logrará “resolver” el problema pero es de suponer también que dicha solución afectará la vida en nuestro planeta. Mas agua implica que el nivel de los mares subirá drasticamente por lo que afectara la vida de millones de seres humanos y de otras especies animales que viven en zonas costeras.

La situacion se plantea caotica pero ya la Tierra ha superado problemas parecidos a los largo de su existencia. Ella puede “curarse” de cualquier enfermedad, incluyendo un cancer muy grave llamado “humanidad”. Y aunque la humanidad prevalezca y el planeta se acabe, nunca habrá otro planeta como este.

Tenemos el arma mas malvada que jamas se haya conocido pero también tenemos el antidoto. y ese arma y ese antidoto son la misma cosa: nuestra inteligencia.