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Ciencias de la Tierra y del espacio de bachillerato · শ্রেণি 10–12
9Los recursos de agua dulce
En 1960, el mar de Aral, en los desiertos de Asia Central, era el cuarto lago más grande del mundo. Dos grandes ríos, alimentados por la nieve y la lluvia de montañas lejanas, desembocaban en él; ninguno salía de él. En los años sesenta su agua se desvió para regar el desierto. Los satélites han observado lo que vino después: el lago se ha roto en pedazos, y la mayor parte de su lecho es hoy tierra seca. La causa, de manera abrumadora, no fue un cambio de clima, sino el regadío: el lago recibía mucha menos agua de la que la evaporación le quitaba cada año. Este capítulo cuenta el agua de la Tierra, dónde se almacena y a qué velocidad se mueve, y muestra que un recurso de agua es ante todo un flujo: cuando se saca de un depósito más agua de la que entra en él, el depósito se vacía, a un ritmo que un simple balance permite prever.
Lo que ya sabes
El ciclo del agua mueve el agua entre el océano, el aire y las tierras emergidas: evaporación, condensación en nubes, precipitación, escorrentía; la masa total de agua se conserva (los libros de física). Las rocas con poros comunicados son permeables; por debajo del nivel freático sus poros están llenos de agua, y una capa que contiene y deja pasar agua suficiente para alimentar pozos es un acuífero (Libro 1, año 6). La mayor parte del agua de la Tierra es agua salada (Libro 1, año 2). Un río se lleva el agua de su cuenca hidrográfica; su caudal es un volumen por segundo (el Capítulo 8).
9.1 Dónde está el agua
La Tierra contiene unos 1390 millones de kilómetros cúbicos de agua. Casi toda está en el océano; solo el es dulce. Y la mayor parte de esa agua dulce está fuera de nuestro alcance: más de dos tercios están helados en los casquetes de hielo y los glaciares, y casi un tercio está bajo tierra.
| depósito | volumen () | parte del agua dulce |
|---|---|---|
| océanos, mares y bahías | (salada) | |
| casquetes de hielo, glaciares y nieves perpetuas | ||
| agua subterránea dulce | ||
| hielo del suelo y permafrost | ||
| lagos de agua dulce | ||
| humedad del suelo | ||
| atmósfera | ||
| ríos |
Los ríos y los lagos de agua dulce, de los que la gente saca la mayor parte del agua que usa, contienen juntos menos de una centésima parte del uno por ciento de toda el agua. Y sin embargo los ríos nunca se secan por mucho tiempo: no son una reserva, sino un flujo, que cada lluvia vuelve a llenar.
9.2 Reservas y flujos
Definición 9.1 (Reserva; flujo)
En un balance de agua, una reserva es la cantidad de agua contenida en un depósito — el océano, el aire, el hielo, un acuífero, un lago — en un momento dado, expresada como volumen o como masa. Un flujo es la cantidad que pasa de un depósito a otro por unidad de tiempo, por ejemplo en kilómetros cúbicos por año.
Una reserva solo cambia a través de sus flujos: lo que entra menos lo que sale. Cuando los dos son iguales, la reserva está en estado estacionario: se mantiene igual aunque su agua se esté renovando sin cesar.
El ciclo está equilibrado. Cada año, el océano pierde por evaporación y recupera en forma de lluvia y nieve y de los ríos. El aire recibe y devuelve , lo mismo. Las tierras emergidas reciben de precipitación; vuelven al aire por evaporación y a través de las hojas de las plantas, y los restantes van a parar al mar, por los ríos y bajo tierra.
Definición 9.2 (Agua dulce renovable)
El agua dulce renovable de una región es el flujo de agua dulce que la precipitación renueva cada año y que la atraviesa como escorrentía en los ríos y como agua subterránea. Es un flujo, en kilómetros cúbicos por año, no una reserva.
Para el conjunto de las tierras emergidas, son los que llegan al mar cada año. Una región puede usar su agua renovable año tras año sin quedarse corta. Lo que tome por encima de ella solo puede salir de una reserva, que entonces mengua.
9.3 El tiempo de residencia
¿Cuánto tiempo pasa una molécula de agua en un depósito? Algunas se van enseguida, otras se quedan mucho más; pero, en promedio, la respuesta se deduce solo de la reserva y del flujo.
Definición 9.3 (Tiempo de residencia)
El tiempo de residencia del agua en un depósito es el tiempo medio que el agua pasa en él entre su entrada y su salida.
Proposición 9.4 (Tiempo de residencia, reserva y flujo)
Para un depósito en estado estacionario, que contiene una reserva y es atravesado por un flujo (de entrada y de salida), el tiempo de residencia es
Demostración. En estado estacionario, cada año entra un volumen y sale un volumen , mientras la reserva sigue siendo . Al cabo de un tiempo , ha entrado un volumen : tanto como contiene todo el depósito. En promedio, el agua presente al principio ha sido entonces sustituida, así que el agua pasa en el depósito. ∎
Ejemplo 9.5 (El agua del aire)
La atmósfera contiene de agua, y cada año caen de ella en forma de lluvia y nieve. Su tiempo de residencia es de años, unos días: el agua del aire se renueva cada semana o dos. Una nube que llueve hoy está hecha de agua que salió del océano o del suelo hace unos pocos días.
El mismo cálculo da unos días para el agua de los cauces de los ríos ( recorridos por al año), unos pocos años para los lagos y los ríos juntos, y unos años para el océano ( miles de ). El agua subterránea puede ser más lenta todavía: el agua más profunda de algunos acuíferos tiene cientos de miles de años.
El tiempo de residencia mide la rapidez con que se recupera un depósito. El agua tomada de un río se repone en días; un lago contaminado o vaciado tarda años; el agua subterránea que tardó miles de años en reunirse no se renueva en absoluto a la escala de una vida humana.
Método 9.6 (Un balance de agua)
- Elige el depósito: un lago, un acuífero, una cuenca, el aire.
- Haz la lista de todos los flujos que entran en él (ríos, lluvia, infiltración) y que salen de él (ríos, evaporación, bombeo), en la misma unidad.
- La variación anual de la reserva es la suma de las entradas menos la suma de las salidas.
- Si la reserva no cambia, las entradas igualan a las salidas, y el tiempo de residencia es la reserva dividida entre cualquiera de ellas.
9.4 Los acuíferos como depósitos
La lluvia que se infiltra en el suelo y llega al nivel freático recarga el acuífero de debajo. El agua avanza luego despacio por los poros de la roca, hacia manantiales, ríos o el mar. Donde una capa permeable se hunde bajo una capa impermeable, como la arcilla, su agua queda confinada: solo se alimenta donde la capa aflora en superficie, lo que puede ocurrir muy lejos.
Definición 9.7 (Agua subterránea fósil)
El agua subterránea fósil es el agua subterránea que entró en su acuífero hace mucho tiempo, a menudo con un clima más húmedo, y que la recarga actual no renueva a la escala de las vidas humanas.
Bajo el este del Sahara se extiende un enorme acuífero de arenisca. Su agua más profunda, datada por la desintegración de una forma radiactiva rara del criptón, tiene entre años y un millón de años. Llegó despacio desde una zona de recarga del suroeste de Egipto, y su química muestra que cayó en forma de lluvia durante periodos húmedos de las glaciaciones, cuando el aire húmedo del Atlántico llegaba a la región. Bombeada hoy, esta agua es una reserva que se agota, no un flujo.
Cuando el bombeo supera la recarga, el nivel freático baja. En las Altas Llanuras del centro de Estados Unidos, el acuífero que hay bajo unas millas cuadradas () se bombea para el regadío desde hacia 1950. En 2015 su nivel de agua había bajado de media, y hasta (234 pies) en algunos pozos; el acuífero había perdido unos millones de acres-pie de agua, unos .
El agua subterránea no se ve desde el espacio, pero se puede pesar: dos satélites que vuelan uno detrás del otro notan los ligeros cambios de la atracción de la Tierra causados por la masa de agua que va y viene debajo de ellos, y cartografían dónde sube y dónde baja de un mes a otro la reserva de agua en las tierras emergidas.
9.5 La sobreexplotación como hecho físico
El mar de Aral no tiene desagüe: el agua de sus dos ríos, el Amu Daria y el Sir Daria, solo sale por evaporación. En 1960 cubría , contenía y su agua tenía de sal por litro. Ese año, la evaporación le quitó , y la lluvia sobre el lago le aportó : para mantener su nivel, el lago necesitaba recibir de sus ríos al año.
A partir de los años sesenta, los ríos se desviaron para regar el desierto, y casi nada de su agua llegaba al lago: en los años setenta y ochenta, a menudo menos de al año. La evaporación continuó, y el lago empezó a encogerse. Su balance marca la velocidad. La evaporación se lleva una capa de agua cuyo espesor depende del clima, aquí de alrededor de un metro al año (). Si los aportes se detienen, el nivel baja más o menos eso cada año, menos la lluvia. A medida que el lago se encoge, su superficie, y con ella su evaporación, también disminuyen, y la bajada se frena; pero no se detiene hasta que los aportes y la evaporación vuelven a equilibrarse.
En 2010 el lago contenía , la décima parte de su volumen de 1960, sobre ; su salinidad había llegado a , mucho más salada que el océano. Su nivel había bajado más de . Del lecho seco se levanta un polvo salado. La causa no es ningún misterio: se cortaron los aportes del lago, pero no su evaporación.
9.6 Ejercicios
Ejercicio 9.1 ★
Define una reserva, un flujo y un tiempo de residencia, y da las unidades de cada uno.
Solución
Solución de Ejercicio 9.1.
Una reserva es la cantidad de agua contenida en un depósito en un momento dado, en (o en kilogramos). Un flujo es la cantidad que pasa de un depósito a otro por unidad de tiempo, en por año. El tiempo de residencia es el tiempo medio que el agua pasa en un depósito, en días o en años; en estado estacionario es la reserva dividida entre el flujo.
Ejercicio 9.2 ★
Con la tabla del agua del mundo: ¿qué parte de toda el agua es dulce? Del agua dulce, ¿qué partes están heladas y bajo tierra? ¿Qué depósito contiene menos?
Solución
Solución de Ejercicio 9.2.
Alrededor del de toda el agua es dulce. Del agua dulce, el está helado en casquetes de hielo, glaciares y nieves perpetuas, y el está bajo tierra. Los ríos son los que menos contienen, .
Ejercicio 9.3 ★
Define el agua dulce renovable y el agua subterránea fósil. ¿Por qué la primera es un flujo y la segunda una reserva?
Solución
Solución de Ejercicio 9.3.
El agua dulce renovable es el agua dulce que la precipitación renueva cada año y que atraviesa una región como escorrentía y como agua subterránea: un volumen por año, un flujo. El agua subterránea fósil es agua que entró en un acuífero hace mucho tiempo y que la recarga actual no renueva: es una reserva que solo puede ir mermando.
Ejercicio 9.4 ★
¿Cuántas veces más agua contienen los lagos de agua dulce del mundo ( ) que sus ríos ( )?
Solución
Solución de Ejercicio 9.4.
veces más.
Ejercicio 9.5 ★
En la gráfica de los tiempos de residencia, ¿qué depósito renueva su agua más deprisa, y cuál más despacio? ¿Cuántas veces más tiempo pasa el agua en el océano que en el aire?
Solución
Solución de Ejercicio 9.5.
La atmósfera es la que renueva su agua más deprisa (unos días), y el océano, el más lento de los depósitos calculados (unos años); el agua subterránea profunda es más antigua todavía. veces más tiempo.
Ejercicio 9.6 ★★
La atmósfera contiene de agua. Calcula su tiempo de residencia a partir de la evaporación que entra en ella ( desde el océano y desde las tierras emergidas cada año), y comprueba que coincide con el tiempo de residencia calculado a partir de la precipitación que sale de ella.
Solución
Solución de Ejercicio 9.6.
Entradas: al año, luego años días. Salidas: , lo mismo: el aire está en estado estacionario, y el tiempo de residencia es el mismo.
Ejercicio 9.7 ★★
El océano contiene miles de y pierde miles de al año por evaporación. Calcula su tiempo de residencia. ¿Por qué es el mismo si se calcula con lo que entra en él?
Solución
Solución de Ejercicio 9.7.
años. En estado estacionario, el océano recibe tanto como pierde: miles de al año, así que el tiempo de residencia calculado con las entradas es el mismo.
Ejercicio 9.8 ★★
Con los flujos del ciclo global del agua, escribe el balance de las tierras emergidas: lo que cae sobre ellas, lo que vuelve al aire y lo que se escurre. ¿Qué parte de la lluvia que cae sobre las tierras vuelve al aire?
Solución
Solución de Ejercicio 9.8.
Las tierras emergidas reciben al año; vuelven al aire por evaporación y transpiración y van a parar al mar: . La parte que vuelve al aire es .
Ejercicio 9.9 ★★
El acuífero de las Altas Llanuras perdió unos millones de acres-pie de agua desde hacia 1950 hasta 2015 ( acre-pie = ). Convierte este volumen a y compáralo con el volumen del mar de Aral en 1987 ().
Solución
Solución de Ejercicio 9.9.
, es decir, : casi tanto como toda el agua que el mar de Aral todavía contenía en 1987.
Ejercicio 9.10 ★★
El nivel medio del agua del acuífero de las Altas Llanuras bajó pies desde hacia 1950 hasta 2015 ( pie = ). ¿Cuánto es eso en metros, y en centímetros por año?
Solución
Solución de Ejercicio 9.10.
. A lo largo de los 65 años que van de 1950 a 2015, al año.
Ejercicio 9.11 ★★
Un acuífero contiene de agua y recibe una recarga de al año. ¿Cuál es el tiempo de residencia de su agua? Ahora unos pozos bombean de él al año. Supón que la recarga continúa y que los pozos son ahora la única salida del agua: ¿cuánto tiempo durará?
Ejercicio 9.12 ★★★
Calcula el tiempo de residencia del agua del mar de Aral en 1960 (, evaporación de al año) y en 2010 (, evaporación de al año). ¿Por qué bajó su evaporación?
Solución
Solución de Ejercicio 9.12.
1960: años; 2010: años. La evaporación quita cada año más o menos el mismo espesor de agua de cada kilómetro cuadrado del lago; al encogerse el lago, su superficie se redujo, y con ella el volumen total evaporado.
Ejercicio 9.13 ★★★
Un lago sin desagüe cubre . La evaporación le quita cada año una capa de de agua de su superficie, y la lluvia le añade .
- ¿Qué aporte, en al año, mantiene estable su nivel?
- El aporte se reduce a la mitad. ¿Cuánto baja el nivel el primer año?
- ¿Por qué se frena la bajada en los años siguientes?
Solución
Solución de Ejercicio 9.13.
(1) La pérdida neta es de al año sobre : tienen que entrar , al año. (2) El aporte baja a : el lago pierde , una capa de . (3) Al bajar el nivel, las orillas salen del agua y la superficie del lago se reduce: menos superficie, menos evaporación, hasta que la evaporación y el aporte vuelven a equilibrarse.
Ejercicio 9.14 ★★★
En un desierto, la lluvia recarga un acuífero con de agua al año. El acuífero tiene de espesor y el agua ocupa el de su volumen. ¿Cuánto tiempo tardaría la recarga en llenarlo? Compáralo con la edad del agua profunda del acuífero del Sahara.
Solución
Solución de Ejercicio 9.14.
El acuífero contiene de agua, es decir, : a al año, años. El agua profunda del acuífero del Sahara tiene entre años y un millón de años, de diez a cincuenta veces más: se recargó durante climas pasados más húmedos.
Ejercicio 9.15 ★★★
El acuífero de las Altas Llanuras cubre unos y había perdido unos de agua en 2015. ¿Qué espesor de agua, repartida sobre todo el acuífero, es eso? Su nivel de agua bajó de media. ¿Por qué la bajada del nivel del agua es mayor que el espesor de agua perdida?
Solución
Solución de Ejercicio 9.15.
, unos de agua. El nivel del agua bajó , unas seis veces y media más. El agua solo ocupa los poros de la roca (y no toda se escurre): cuando el nivel freático baja un metro, el agua liberada es una capa mucho más delgada que un metro, aquí de unos m.
9.7 Problema: el balance del mar de Aral
Problema 9.1
Problema de fin de semana — ¿a qué velocidad desaparece un lago?
La tabla da el balance del mar de Aral para cuatro años (volúmenes en , salinidad en gramos de sal por litro). En 1960 el lago cubría .
| año | aporte de los ríos | lluvia sobre el lago | evaporación | volumen | salinidad |
|---|---|---|---|---|---|
| 1960 | 42.0 | 9.4 | 71.1 | 1093.0 | 10.0 |
| 1984 | 0.3 | 3.5 | 47.9 | 502.7 | 21.9 |
| 1987 | 1.0 | 6.2 | 36.8 | 345.6 | 25.0 |
| 1989 | 3.1 | 5.3 | 35.3 | 327.2 | 30.0 |
Parte I — El lago en 1960.
- ¿Cuál era la profundidad media del lago en 1960?
- Expresa su volumen en metros cúbicos.
- ¿Qué masa de sal contenía, en toneladas?
- ¿Cuál era el tiempo de residencia de su agua, contado con la evaporación?
- ¿Por qué un lago sin desagüe solo puede perder agua por evaporación (y por infiltración)?
Parte II — Lo que necesita el lago.
- ¿Qué espesor de agua le quitó la evaporación al lago en 1960, en metros?
- ¿Qué espesor añadió la lluvia?
- ¿Qué aporte de los ríos habría compensado exactamente la evaporación y la lluvia?
- Los dos ríos sacan de las montañas una media de unos y al año. ¿Qué parte de eso necesitaría el lago?
Parte III — El lago a finales de los años ochenta.
- Escribe el balance de 1987: entradas, salidas, variación neta.
- Entre 1984 y 1989 el volumen bajó de a . ¿Cuál fue la bajada media por año? Compárala con el balance de 1987.
- Supón que un kilómetro cuadrado de lago pierde por evaporación tanta agua como en 1960. ¿Cuál era la superficie del lago en 1987?
- ¿Qué parte de su superficie de 1960 es eso?
- ¿Por qué había bajado la evaporación de a ?
- ¿Qué parte de su volumen de 1960 conservaba todavía el lago en 1987?
Parte IV — La sal y el nivel.
- Si toda la sal de 1960 se hubiera quedado en el agua, ¿cuál habría sido la salinidad en 1987?
- La tabla da . ¿Qué sugiere la diferencia?
- Sin ningún aporte ni lluvia, ¿cuánto bajaría el nivel cada año?
- En 1987, ¿cuánto añadieron los ríos y la lluvia, como espesor sobre la superficie de la pregunta 12?
- ¿Cuánto bajó el nivel del mar de Aral en 1987?
Solución
Solución de Problema 9.1.
1. , unos .
2. .
3. son : , unos mil millones de toneladas.
4. años.
5. No sale de él ningún río: su agua solo puede irse como vapor (o infiltrándose en el suelo), mientras que la sal se queda.
6. , unos .
7. , unos .
8. al año.
9. : , más o menos la mitad.
10. Entradas: ; salida: ; variación neta: .
11. al año: del mismo orden que los del balance de 1987 (los años sueltos difieren: la evaporación fue de en 1984).
12. .
13. , más o menos la mitad.
14. El lago se había encogido: la mitad de la superficie evapora más o menos la mitad del agua.
15. , alrededor de un tercio.
16. .
17. La salinidad medida es menor: parte de la sal había salido del agua, cristalizada sobre el lecho al descubierto y arrastrada por el viento en forma de polvo salado.
18. Alrededor de al año, el espesor evaporado.
19. , unos .
20. ( con los valores sin redondear): en 1987 el nivel del mar de Aral bajó unos , cerca de un metro en un solo año.