Aula balanço de sais no oceano

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EAS/BIOES 154
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O Controle Geológico da Química Oceânica
Overview
	 Hoje iremos examinar o controle geológico sobre a composição química da água do mar e o controle da composição química da água do mar sobre sobre processos geológicos tais como a sedimentação.O oceano é salgado principalmente devido ao aporte fluvial de íons liberados pelo intemperismo das rochas. Este também é o motivo pelo qual o mar é alcalino. Estes íons são então removidos da água do mar pelos sedimentos. A química da água do mar controla a distribuição da vida na superfície oceânica assim como a distribuição de sedimentos de fundo.
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Composição da Água do Mar
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Salinidade
O conteúdo de sais dissolvidos na água do mar é chamado de salinidade.
A salinidade média da água do mar é de 3,5% ou 35‰ (partes por mil).
Porquê o mar é salgado??
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Dissociação da água
Moléculas de água podem se dissociar:
H2O = H+ + OH–
Uma propriedade fundamental da água é que (nas CNTPs) as concentrações de H+ e de OH– irão se ajustar sozinhas de forma a:
[H+]  [OH–] = 10–14
Em água pura, isto significa:
[H+] = [OH–] = 10-7
Em outras palavras, a concentração de H+ e de OH– serão ambas de 10-7.
Desta forma em água pura 1 em cada 107 (100 milhões) de moléculas se dissociarão.
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O pH da Água do Mar
O pH é uma importante propriedade de qualquer solução, governando seu comportamento. 
O pH é definido como:
Logarítimo negativo da concentração do íon de hidrogênio
pH = -log [H+]
O intervalo de variação do pH é de 0 a 14.
Em água pura, pH = -log [10-7] = 7.
pH < 7, existe um excesso de H+ em relação ao OH– e a água então será chamada de ácida.
pH > 7, existe um excesso de OH– em relação ao H+ e a água então será chamada de alcalina.
A água do mar possui um pH entre 7.6 to 8.2.
A água do mar é levemente alcalina. Porquê?
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Destino Final
Antoine Lavosier, pai da química moderna, disse que os oceanos são os depositórios finais da Terra.
Em outras palavras, os oceanos são salgados porque contêm os produtos do intemperismo dos continentes, carreados pelos rios.
Antoine Lavosier (1743-1793)
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Intemperismo
Rochas Ígneas + Água = Sedimentos + Água do Mar
2NaAlSi3O8 +3H2O = Al2Si2O5(OH)4+4SiO2+2Na++2OH–
O intemperismo das rochas nos continentes geram partículas sólidas (argilas e quartzo) e uma solução alcalina
Esta solução é carreada para os oceanos pelos rios.
É por isto que o oceano é salgado e alcalino.
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Sais Dissolvidos na Água do Mar
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O Paradoxo das Águas Fluviais
A água do mar é aproximadamente uma solução de cloreto de sódio; a água dos rios é aproximadamente uma solução de bicarbonato de sódio.
Se os rios levam os sais para o oceano, porquê a composição é tão diferente??
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Outro Paradoxo
Nas taxas atuais, os rios levariam cerca de 90 milhões de anos para carrear para os oceanos todo o sal que existe atualmente nos oceanos.
Porém, os oceanos tem aproximadamente 2,5 bilhões de anos? 
Além disto, os oceanos não estão ficando mais salgados com o passar do tempo.
Porquê?
Sais dissolvidos estão sendo continuamente removidos da água do mar.
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O Estado de Equilíbrio dos Oceanos
Se os oceanos não estão ficando mais salgados, e se suas concentrações não estão sendo alteradas, podemos dizer que este se encontra em estado de equilíbrio.
Por esta razão, os sais devem ser removidos da água do mar na mesma proporção e nas mesmas taxas em que são introduzidos.
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Tempo de Residência
Tempo de Residência é o tempo médio em que um átomo ira passar na água do mar.
Tempo de Residência = Quantidade do elemento no mar
Taxa em que este elemento é introduzido
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Tempo de Residência
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O Balanço de Sais
Alguns elementos, mais notadamente anions como o Cl– e o SO42-, não são liberados pelo intemperismo de rochas (porque eles não estão presentes em sua composição).
Estes estão presentes em gases vulcânicos e lentamente foram adicionados aos oceanos através de erupções vulcânicas.
Apesar disto estes circulam através do sistema hidrológico (oceanos  atmosfera  rios  oceanos).
Os sais podem se propagar através da atmosfera. Quando as ondas se quebram, formam pequenas gotículas, a água evapora deixando apenas as partículas de sais.
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Ciclo Geoquímico
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Fontes e Sumidouros
Fontes se referem aos mecanismos nos quais os elementos são introduzidos na água do mar.
Sumidouros se referem aos mecanismos pelos quais os elementos são removidos da água do mar.
Um dos objetivos dos oceanógrafos químicos é estabelecer as fontes e os sumidouros de cada elemento.
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Fontes e Sumidouros de Sais Marinhos
Fontes
Rios (e geleiras)
Atmosfera
gases
poeira (trazida através do vento)
Reações com a crosta oceânica
Intemperismo de baixa e alta temperatura em sistema hidrotermais.
Dissolução de sedimentos
Sumidouros
Precipitação Biológica
Precipitação Direta
Evaporitos, nódulos de Mn
Reações com a crosta oceânica
Adsorção a superfície de partículas 
Atmosfera (gases e gotículas).
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Sumidouros: Precipitados Biológicos
Grande parte do fundo oceânico é coberto por precipitados biológicos
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Sumidouros: Precipitação Direta
Nódulos de Manganês são um bom exemplo de precipitação direta
Formados por uma mistura de hidróxidos de ferro (Fe) e manganês (Mn) além de outros metais
Adsorção em partículas de argila (formando uma argila vermelha no fundo do oceano) também remove Mn e Fe.
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Sumidouros: Evaporitos
Os Evaporitos formam-se quando a água do mar em um bacia fechada se evapora até que os sais se precipitem.
Estas forma depósitos minerais de elevado valor comercial. 
Evaporito antigo (Paleozóico) Ithaca.
5 milhões de anos atrás, o Mediterrâneo se fechou e suas águas quase que evaporaram totalmente, formando uma vasta camada de evaporito.
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A Crise Salina do Mediterrâneo
A 6 milhões de anos atrás (no final do Mioceno), a convergência das placas da África e da Eurásia fecharam o estreito de Gibraltar. 
 Conseqüentemente, grande parte do Mar Mediterrâneo secou.
O nível do mar no Mediterrâneo baixou quase 3000 m.
Evaporitos depositaram-se por todo o fundo do Mediterrâneo.
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Evaporitos nos Sedimentos do Mediterrâneo
O Ocean Drilling Project encontrou uma vasta camada de depósitos de sais no fundo do Mediterrâneo. A camada de sal chega a ter 2000 m de espessura!
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O Balanço de Água do Mediterrâneo
Hoje, 1500 quilômetros cúbicos de água evapora do Mediterrâneo (fluxo de água doce é da ordem de 1/10 disto) 
Nesta taxa, levaria apenas 1000 anos para que o Mediterrâneo evaporasse completamente!
Depósitos de sais na Itália.
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Erosão dos Vales Alpinos
Com o nível do mar Mediterrâneo milhares de metros abaixo do atual, a erosão recortou profundamente os vales do sudeste europeu e do norte da África.
O vale do rio Reno, era aproximadamente 1500 metro mais profundo que hoje.
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A Mãe de Todas as Cachoeiras
A Crise do Mediterrâneo terminou (400,000 anos depois de seu início) com a erosão e reabertura do estreito de Gibraltar
Naquele momento, uma enorme cachoeira, umas 1000 vezes o tamanho das Cataratas de Niágara se formou no estrito de Gibraltar.
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Atividade Hidrotermal : Fonte e Sumidouro
Reações hidrotermais removem alguns elementos, como Mg e U, da água do mar, e adicionam outros elementos, como Si e K.
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Distribuição de elementos no Oceano
Os elementos podem ser divididos em três grupos :
Conservativos
Controlados Biologicamente
Controlados por Reações na Superfície
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Elementos Conservativos
Inclui a maioria dos íons maiores da água do mar
Na+ (sódio), Ca2+ (cálcio), Mg2+ (magnésio), K+ (Potássio), Cl- (cloreto), SO42- (sulfato), mas não o bicarbonato.
Também inclui ions menores
como Rb+ e F–
Sempre presentes em proporções constantes entre si e com a salinidade.
Mudanças de concentração ocorrem como um resultado da diluição ou concentração.
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Íons Controlados Biologicamente
Elementos e íons absorvidos pelo fitoplâncton em águas superficiais.
Decomposição retorna os nutrientes de volta a água em profundidade.
Incluem os nutrientes (nitrato, fosfato), micro-nutrientes (silicato, Fe, Zn), e elementos “acidentalmente” absorvidos, (Ge, Cd).
Conseqüentemente, águas profundas são enriquecidas em nutrientes quando comparadas com águas superficiais.
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Utilização Biológica
Si usado pelas diatomáceas para a construção de suas carapaças, causam uma diminuição de sua concentração na superfície. 
Ge é parecido com o Si por isto é acidentalmente absorvido pelas diatomáceas
Diferenças de concentração são devido ao Tempo de Residência
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Elementos Controlados por Reações de Superfície
Elementos com baixa solubilidade que são rapidamente adsorvidos a superfícies de partículas sendo removidos da solução.
Estes elementos são introduzidos no oceano através da atmosfera, sendo desta forma mais concentrados na superfície. 
Elementos nesta categoria, tais como o Al e o Pb, possuem tempo de residência muito baixos.
Muitos elementos são controlados biologicamente e por reações de superfície.
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O Sistema CO2 Carbonato 
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Importância do Sistema CO2 Carbonato
Tamponamento do pH da água do mar ~ 8.
Adição de H+ direciona a reação para a direita, ex:
H+ + HCO3-  H2CO3
Tamponamento do CO2 Atmosférico 
O CO2 Atmosférico dissolvido na água do mar é convertido em íon bicarbonato.
CO2 + H2O  H+ + HCO3-
A solubilidade do CO2 nas águas oceânicas é aumentada como conseqüência.
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O Cicle Global do Carbono
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Distribuição de CO2 e O2 
Fotossíntese:
CO2 + H2O  CH2O + O2
Diminui o CO2 dissolvido aumentando o O2 dissolvido em águas superficiais.
Respiração:
 CH2O + O2  CO2 + H2O
Aumenta o CO2 dissolvido e diminui o O2 dissolvido em águas profundas.
Uma das conseqüências é a diminuição do pH em águas profundas.
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Dissolução do Carbonato de Cálcio
A solubilidade da calcita (carbonato de cálcio) aumenta com a prof. devido a: 
Diminuição do pH devido ao aumento do CO2 total dissolvido
Aumento da pressão
Lisoclina
Prof. Onde a dissolução da calcita aumenta rapidamente
Prof. de Compensação do carbonato (CCD)
Prof. Onde a taxa de dissolução compensa a taxa de deposição.
Esta a maior profundidade onde sedimentos carbonáticos são observados. 
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CCD: A linha de Neve Marinha
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Distribuição de Sedimentos Carbonáticos
A CCD controla a distribuição dos sedimentos carbonáticos (carbonate oozes): eles vão ocorrer apenas regiões onde a profundidades não ultrapasse os 4500 m.
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Dissolução de Carapaças de Sílica.
Carapaças de SiO2 de diatomáceas e de radiolários são solúveis em águas superficiais (onde o Si dissolvido é baixo).
Sedimentos ricos em carapaças de diatomáceas e de Radiolários podem ser encontrados apenas em áreas onde existe uma elevada produtividade onde o Si dissolvido e a produção de carapaças é elevada. 
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Distribuição de Sedimentos Ricos em Silicatos
Sedimentos ricos em sílica são encontrados sob os cinturões de alta produtividade do equador e da Antártica.
São raros no Atlântico devido as águas serem “jovens” e pobres em Si dissolvida
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Resumindo:
A química da água do mar influencia a distribuição da vida nos oceanos e a distribuição dos sedimentos pelo solo oceânico.
A química da água do mar é parte de um ciclo químico muito mais extenso.
Este ciclo esta ligado a outros processos geológicos, incluindo a tectônica de placas. 
Estes processos controlam e as vezes podem ocasionar mudanças a nível global (Mudanças Climáticas).