Calor e padrões de circulação

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Calor e Padrões de Circulação ���
	
Curso: Ciências Biológicas	
Matéria: Limnologia 	
	
Prof. José Fernandes Bezerra Neto 	
	
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? 
 
Propriedades 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. 
 
Propriedades físico-químicas da água 
 
As moléculas de água são dipolares: 
δ+	
H H 
O 
δ- 
104.5° 
Estas pontes de hidrogênio se formam e quebram a uma taxa que 
é determinada pela temperatura da água 
Ocorrendo ligações de pontes de hidrogênio: 
 
 
 
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 0,917 
Uma importante conseqüência das 
pontes de hidrogênio e as relações de 
densidade : 
 
O gelo flutua 
 
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 
Vamos relembrar o 
decaimento 
exponencial da luz 
na coluna de água 
em lagos 
Kalff 2002 
Será que o 
calor mostra o 
mesmo padrão? 
% of surface light
0
5
10
15
20
25
30
35
0 25 50 75 100
de
pt
h 
(m
)
Não! 
5 10 15 20 25 30 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 
Temperatura (°C) 
P
ro
fu
nd
id
ad
e 
(m
) 
Epilímnio 
Hipolímnio 
Metalímnio 
Termoclina 
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 
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 
(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) 
(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? 
λ = 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 
Pr
of
un
di
da
de
 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 
Pr
of
un
di
da
de
 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 
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 
A morfometria do lago 
 
Geografia 
 
A claridade da água 
 
Clima 
Os padrões de mistura podem ser influenciados por: 
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 
0
1
2
3
4
0 10 20 30
T emp er a t ur e 	
   ( C )
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 
22	
  August	
  1993
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15 20 25 30
T e m p e r a t u r e 	
  ( C )
D
ep
th
 (m
)
5 10 15 20 25 30 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 
Temperatura (°C) 
P
ro
fu
nd
id
ad
e 
(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 
5 
6 
7 
8 
9 
10 
Temperatura (°C) 
P
ro
fu
nd
id
ad
e 
(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 
Como os lagos estratificam? 
 
Variação anual 5 10 15 20 25 30 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 
Temperatura (°C) 
P
ro
fu
nd
id
ad
e 
(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 
5 10 15 20 25 30 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 
Temperatura (°C) 
P
ro
fu
nd
id
ad
e 
(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 
5 
6 
7 
8 
9 
10 
Temperatura (°C) 
P
ro
fu
nd
id
ad
e 
(m
) 
(5) Final da primavera 
Com o 
estabelecimento da 
diferença de 
densidade, o 
epilímnio “flutua” 
sobre o hipolímnio 
Como os lagos estratificam? 
 
Variação anual 
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 25o para 
15o vs. 15o para 5º 
Padrões de circulação em lagos estratificados 
isotermas 
Como podemos representar os parões sazonais em apenas um gráfico? 
Diagrama profundidade-tempo 
Wetzel 2001 
A estratificação térmica em um lago 
tropical 
Diagrama profundidade-tempo da temperatura da água (ºC) na 
Lagoa do Nado,MG. 
1999 2000
O N D J F M A M J J A S
Pr
of
. (
m
)
12
3
4
5
6
18,0 
18,5 
19,0 
19,5 
20,0 
20,5 
21,0 
21,5 
22,0 
22,5 
23,0 
23,5 
24,0 
24,5 
25,0 
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 
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 
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 
Representação diagramática de um 
regime de mistura monomítico quente 
Verão Outono 
Inverno Primavera 
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 
Representação diagramática de um 
regime de mistura dimítico 
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 
Meromíticos: lagos que são quimicamente estratificados 
Monimolímnio 
Termoclina 
Quemoclina 
Lago Tanganyika 
Exemplos de meromixia — entrada de sais devido à 
atividade biológica (decomposição) 
Zm > 1400 m 
Área = 32,000 km2 
Muitos anos de 
Mistura incompleta 
Sonda YSI 
Temperatura e OD 
Sensores para coleta de dados 
Sonda de múltiplos parâmetros YSI 
Monitoramento Intensivo em Tempo Real 
Estratificação térmica e estratificação 
química de lagos