地球与空间科学 · 第 2 册 · 10–12 年级

Ciências da Terra e do espaço do ensino médio

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Ciências da Terra e do espaço do ensino médio · 10–12 年级

9Os recursos de água doce

Em 1960, o Mar de Aral, nos desertos da Ásia Central, era o quarto maior lago do mundo. Dois grandes rios, alimentados pela neve e pela chuva de montanhas distantes, corriam para ele; nenhum saía dele. Nos anos 1960, a água desses rios foi desviada para irrigar o deserto. Os satélites acompanharam o que veio depois: o lago se partiu em pedaços, e a maior parte do seu leito é hoje terra seca. A causa, de longe a principal, não foi uma mudança do clima, mas a irrigação: o lago recebia muito menos água do que a evaporação lhe tirava a cada ano. Este capítulo conta a água da Terra, onde ela está armazenada e com que rapidez se move, e mostra que um recurso de água é antes de tudo um fluxo: quando se tira de um reservatório mais do que entra nele, o reservatório se esvazia, num ritmo que um balanço simples prevê.

O Mar de Aral visto pelo instrumento MODIS do satélite Terra da NASA em agosto de 2000 (à esquerda) e em agosto de 2018 (à direita); a linha amarela é a linha de costa aproximada de 1960. A barra de escala mede 50\, km. Imagens: NASA Earth Observatory. O Mar de Aral visto pelo instrumento MODIS do satélite Terra da NASA em agosto de 2000 (à esquerda) e em agosto de 2018 (à direita); a linha amarela é a linha de costa aproximada de 1960. A barra de escala mede 50\, km. Imagens: NASA Earth Observatory.
O Mar de Aral visto pelo instrumento MODIS do satélite Terra da NASA em agosto de 2000 (à esquerda) e em agosto de 2018 (à direita); a linha amarela é a linha de costa aproximada de 1960. A barra de escala mede 50 km50\,\mathrm{km}. Imagens: NASA Earth Observatory.

O que você já sabe

O ciclo da água move a água entre o oceano, o ar e as terras emersas: evaporação, condensação em nuvens, precipitação, escoamento; a massa total de água se conserva (os livros de física). As rochas com poros ligados entre si são permeáveis; abaixo do lençol freático, os seus poros estão cheios de água, e uma camada que retém e deixa passar água suficiente para alimentar poços é um aquífero (Livro 1, 6º ano). A maior parte da água da Terra é água salgada (Livro 1, 2º ano). Um rio leva embora a água da sua bacia hidrográfica; a sua vazão é um volume por segundo (Capítulo 8).

9.1 Onde está a água

A Terra contém cerca de 1.39 bilhão de quilômetros cúbicos de água. Quase toda ela está no oceano; apenas 2.5 %2.5\,\% é doce. E a maior parte dessa água doce está fora de alcance: mais de dois terços dela estão congelados nas calotas de gelo e nas geleiras, e quase um terço fica no subsolo.

reservatóriovolume (km3\mathrm{km}^{3})parte da água doce
oceanos, mares e baías1 338 000 0001\,338\,000\,000(salgada)
calotas de gelo, geleiras e neve permanente24 064 00024\,064\,00068.7 %68.7\,\%
água subterrânea doce10 530 00010\,530\,00030.1 %30.1\,\%
gelo do solo e permafrost300 000300\,0000.86 %0.86\,\%
lagos de água doce91 00091\,0000.26 %0.26\,\%
umidade do solo16 50016\,5000.05 %0.05\,\%
atmosfera12 90012\,9000.04 %0.04\,\%
rios212021200.006 %0.006\,\%
Uma estimativa da água do mundo, segundo Shiklomanov (1993), pelo U.S. Geological Survey. A água subterrânea salgada (12 870 00012\,870\,000 km3\mathrm{km}^{3}) e os lagos salgados ficaram de fora.

Os rios e os lagos de água doce, de onde as pessoas tiram a maior parte da água que usam, contêm juntos menos de um centésimo de um por cento de toda a água. No entanto, os rios nunca secam por muito tempo: eles não são um estoque, mas um fluxo, reabastecido a cada chuva.

9.2 Estoques e fluxos

Definição 9.1 (Estoque; fluxo)

Num balanço de água, um estoque é a quantidade de água contida num reservatório — o oceano, o ar, o gelo, um aquífero, um lago — num dado momento, como um volume ou uma massa. Um fluxo é a quantidade que passa de um reservatório para outro por unidade de tempo, por exemplo em quilômetros cúbicos por ano.

Um estoque só muda por meio dos seus fluxos: o que entra menos o que sai. Quando os dois são iguais, o estoque está em regime estacionário: ele permanece o mesmo, embora a sua água esteja sempre sendo substituída.

O ciclo global da água dos anos 1990 (esquema; fora de escala). Estoques em milhares de km3, fluxos em milhares de km3 por ano. Segundo Trenberth e colaboradores (2007). As estimativas dos estoques diferem de um estudo para outro: compare a água subterrânea e o gelo daqui com a tabela acima.
O ciclo global da água dos anos 1990 (esquema; fora de escala). Estoques em milhares de km3\mathrm{km}^{3}, fluxos em milhares de km3\mathrm{km}^{3} por ano. Segundo Trenberth e colaboradores (2007). As estimativas dos estoques diferem de um estudo para outro: compare a água subterrânea e o gelo daqui com a tabela acima.

O ciclo está equilibrado. A cada ano, o oceano perde 413 000413\,000 km3\mathrm{km}^{3} por evaporação e recebe de volta 373 000373\,000 como chuva e neve e 40 00040\,000 dos rios. O ar recebe 413 000+73 000=486 000413\,000 + 73\,000 = 486\,000 km3\mathrm{km}^{3} e devolve 373 000+113 000373\,000 + 113\,000, a mesma quantidade. As terras emersas recebem 113 000113\,000 km3\mathrm{km}^{3} de precipitação; 73 00073\,000 voltam ao ar por evaporação e pelas folhas das plantas, e os 40 00040\,000 restantes escoam para o mar, pelos rios e pelo subsolo.

Definição 9.2 (Água doce renovável)

A água doce renovável de uma região é o fluxo de água doce renovado a cada ano pela precipitação, que a atravessa como escoamento nos rios e como água subterrânea. É um fluxo, em quilômetros cúbicos por ano, e não um estoque.

Para todas as terras emersas da Terra, são os 40 00040\,000 km3\mathrm{km}^{3} que chegam ao mar a cada ano. Uma região pode usar a sua água renovável ano após ano sem que ela falte. O que ela tira além disso só pode vir de um estoque, que então diminui.

9.3 O tempo de residência

Quanto tempo uma molécula de água fica num reservatório? Algumas saem logo, outras ficam muito mais; mas, em média, a resposta decorre apenas do estoque e do fluxo.

Definição 9.3 (Tempo de residência)

O tempo de residência da água num reservatório é o tempo médio que a água passa nele entre a entrada e a saída.

Proposição 9.4 (Tempo de residência, estoque e fluxo)

Para um reservatório em regime estacionário, que contém um estoque SS atravessado por um fluxo FF (de entrada e de saída), o tempo de residência é

T=SF.T = \frac{S}{F}.

Demonstração. Em regime estacionário, um volume FF entra e um volume FF sai a cada ano, enquanto o estoque permanece SS. Depois de um tempo S/FS/F, entrou um volume F×S/F=SF \times S/F = S: tanto quanto o reservatório inteiro contém. Em média, a água presente no início foi então substituída, de modo que a água fica S/FS/F no reservatório. ∎

Exemplo 9.5 (A água no ar)

A atmosfera contém 12 70012\,700 km3\mathrm{km}^{3} de água, e 486 000486\,000 km3\mathrm{km}^{3} caem dela a cada ano como chuva e neve. O seu tempo de residência é 12 700/486 000≈0.02612\,700/486\,000 \approx 0.026 ano, cerca de 9.59.5 dias: a água do ar é renovada a cada uma ou duas semanas. Uma nuvem que chove hoje é feita de água que deixou o oceano ou o solo há alguns dias.

O mesmo cálculo dá cerca de 1919 dias para a água nos leitos dos rios (21202120 km3\mathrm{km}^{3} levados por 40 00040\,000 km3\mathrm{km}^{3} por ano), alguns anos para os lagos e os rios juntos, e cerca de 32003200 anos para o oceano (1 335 040/4131\,335\,040/413 mil km3\mathrm{km}^{3}). A água subterrânea pode ser ainda mais lenta: a água mais profunda de alguns aquíferos tem centenas de milhares de anos.

Tempos de residência da água, calculados como estoque dividido por fluxo a partir do ciclo global da água (azul), e a idade medida da água subterrânea profunda sob o Saara oriental (laranja). Eixo logarítmico: a partir de um ano, cada degrau marcado vale cem vezes o anterior. Dados: Trenberth e colaboradores (2007); U.S. Geological Survey; Sturchio e colaboradores (2004).
Tempos de residência da água, calculados como estoque dividido por fluxo a partir do ciclo global da água (azul), e a idade medida da água subterrânea profunda sob o Saara oriental (laranja). Eixo logarítmico: a partir de um ano, cada degrau marcado vale cem vezes o anterior. Dados: Trenberth e colaboradores (2007); U.S. Geological Survey; Sturchio e colaboradores (2004).

O tempo de residência mede a rapidez com que um reservatório se recupera. A água tirada de um rio é reposta em dias; um lago poluído ou esvaziado leva anos; uma água subterrânea que levou milhares de anos para se acumular não se renova, na escala de uma vida humana.

Método 9.6 (Um balanço de água)

  1. Escolha o reservatório: um lago, um aquífero, uma bacia, o ar.
  2. Liste cada fluxo que entra nele (rios, chuva, infiltração) e que sai dele (rios, evaporação, bombeamento), na mesma unidade.
  3. A variação do estoque por ano é a soma das entradas menos a soma das saídas.
  4. Se o estoque não muda, as entradas igualam as saídas, e o tempo de residência é o estoque dividido por uma ou outra.

9.4 Os aquíferos como reservatórios

A chuva que se infiltra no solo e chega ao lençol freático recarrega o aquífero abaixo. A água então se desloca devagar pelos poros da rocha, em direção às fontes, aos rios ou ao mar. Onde uma camada permeável mergulha sob uma camada impermeável, como a argila, a sua água fica confinada: ela só é alimentada onde a camada aflora, o que pode ser muito longe.

Um aquífero num arenito permeável (esquema). A chuva o recarrega onde ele aflora; ali, o lençol freático está livre para subir e descer. Mais adiante, sob a argila, o aquífero é confinado, e a sua água desce devagar ao longo da camada: quanto mais longe da área de recarga, mais antiga a água.
Um aquífero num arenito permeável (esquema). A chuva o recarrega onde ele aflora; ali, o lençol freático está livre para subir e descer. Mais adiante, sob a argila, o aquífero é confinado, e a sua água desce devagar ao longo da camada: quanto mais longe da área de recarga, mais antiga a água.

Definição 9.7 (Água subterrânea fóssil)

A água subterrânea fóssil é a água subterrânea que entrou no seu aquífero há muito tempo, muitas vezes sob um clima mais úmido, e que a recarga atual não renova na escala das vidas humanas.

Sob o Saara oriental fica um vasto aquífero de arenito. A sua água mais profunda, datada pelo decaimento de uma forma radioativa rara do criptônio, tem de 200 000200\,000 a um milhão de anos. Ela entrou devagar a partir de uma área de recarga no sudoeste do Egito, e a sua química mostra que caiu como chuva durante períodos úmidos passados das eras glaciais, quando o ar úmido do Atlântico chegava à região. Bombeada hoje, essa água é um estoque que se esgota, e não um fluxo.

Quando o bombeamento supera a recarga, o lençol freático desce. Nas High Plains, no centro dos Estados Unidos, o aquífero sob umas 175 000175\,000 milhas quadradas (453 000 km2453\,000\,\mathrm{km}^{2}) é bombeado para a irrigação desde cerca de 1950. Em 2015, o seu nível de água tinha descido 4.8 m4.8\,\mathrm{m} em média, e até 71 m71\,\mathrm{m} (234 pés) em alguns poços; o aquífero tinha perdido cerca de 273273 milhões de acres-pés de água, uns 340 km3340\,\mathrm{km}^{3}.

Campos irrigados perto de Sublette, no Kansas, vistos pelo instrumento ASTER do satélite Terra da NASA em junho de 2001 (cerca de 37\, km de lado a lado). Cada círculo é um campo regado por um longo braço aspersor que gira em torno do seu centro; os círculos têm 800 e 1600\, m de diâmetro. Imagem: NASA (domínio público).
Campos irrigados perto de Sublette, no Kansas, vistos pelo instrumento ASTER do satélite Terra da NASA em junho de 2001 (cerca de 37 km37\,\mathrm{km} de lado a lado). Cada círculo é um campo regado por um longo braço aspersor que gira em torno do seu centro; os círculos têm 800800 e 1600 m1600\,\mathrm{m} de diâmetro. Imagem: NASA (domínio público).

A água subterrânea não pode ser vista do espaço, mas pode ser pesada: dois satélites que voam um atrás do outro sentem as pequenas variações da atração da Terra causadas pela massa de água que vai e vem abaixo deles, e mapeiam onde o estoque de água nas terras emersas sobe e desce de mês em mês.

Uma bomba manual num poço numa paisagem seca: a água tirada aqui vem do subsolo, fora do alcance da estação seca.
Uma bomba manual num poço numa paisagem seca: a água tirada aqui vem do subsolo, fora do alcance da estação seca.

9.5 O uso excessivo como fato físico

O Mar de Aral não tem saída: a água dos seus dois rios, o Amu Dária e o Sir Dária, só sai por evaporação. Em 1960, ele cobria 68 000 km268\,000\,\mathrm{km}^{2}, continha 1093 km31093\,\mathrm{km}^{3} e a sua água tinha 10 g10\,\mathrm{g} de sal por litro. Nesse ano, a evaporação retirou 71.1 km371.1\,\mathrm{km}^{3}, e a chuva sobre o lago trouxe 9.4 km39.4\,\mathrm{km}^{3}: para manter o seu nível, o lago precisava de 71.1−9.4=61.7 km371.1 - 9.4 = 61.7\,\mathrm{km}^{3} por ano vindos dos seus rios.

A partir dos anos 1960, os rios foram desviados para irrigar o deserto, e quase nada da sua água chegava ao lago: nos anos 1970 e 1980, muitas vezes menos de 2 km32\,\mathrm{km}^{3} por ano. A evaporação continuou, e o lago começou a encolher. O seu balanço dita a que velocidade. A evaporação tira uma camada de água cuja espessura depende do clima, aqui cerca de um metro por ano (71.1/68 000≈0.001 05 km71.1/68\,000 \approx 0.001\,05\,\mathrm{km}). Se a entrada para, o nível desce mais ou menos isso a cada ano, menos a chuva. À medida que o lago encolhe, a sua área, e portanto a sua evaporação, também diminuem, e a descida fica mais lenta; mas ela só para quando a entrada e a evaporação voltam a se equilibrar.

O Mar de Aral de 1960 a 2010: o volume da sua água caiu para um décimo, enquanto o sal deixado pela evaporação ficou treze vezes mais concentrado. Dados: Gaybullaev e colaboradores (2012).
O Mar de Aral de 1960 a 2010: o volume da sua água caiu para um décimo, enquanto o sal deixado pela evaporação ficou treze vezes mais concentrado. Dados: Gaybullaev e colaboradores (2012).

Em 2010, o lago continha 98 km398\,\mathrm{km}^{3}, um décimo do seu volume de 1960, sobre 14 280 km214\,280\,\mathrm{km}^{2}; a sua salinidade tinha chegado a 130 g/L130\,\mathrm{g}/\mathrm{L}, muito mais salgado que o oceano. O seu nível tinha descido mais de 20 m20\,\mathrm{m}. Uma poeira salgada é soprada do leito seco. A causa não está escondida: a entrada do lago foi cortada, mas a sua evaporação não.

9.6 Exercícios

Exercício 9.1 ★

Defina um estoque, um fluxo e um tempo de residência, e dê as unidades de cada um.

Solução

Solução de Exercício 9.1.

Um estoque é a quantidade de água contida num reservatório num dado momento, em km3\mathrm{km}^{3} (ou em quilogramas). Um fluxo é a quantidade que passa de um reservatório para outro por unidade de tempo, em km3\mathrm{km}^{3} por ano. O tempo de residência é o tempo médio que a água passa num reservatório, em dias ou em anos; em regime estacionário, ele é o estoque dividido pelo fluxo.

Exercício 9.2 ★

Pela tabela da água do mundo: que parte de toda a água é doce? Da água doce, que partes estão congeladas e no subsolo? Que reservatório contém menos água?

Solução

Solução de Exercício 9.2.

Cerca de 2.5 %2.5\,\% de toda a água é doce. Da água doce, 68.7 %68.7\,\% está congelada nas calotas de gelo, nas geleiras e na neve permanente, e 30.1 %30.1\,\% está no subsolo. Os rios são os que contêm menos, 21202120 km3\mathrm{km}^{3}.

Exercício 9.3 ★

Defina a água doce renovável e a água subterrânea fóssil. Por que a primeira é um fluxo e a segunda, um estoque?

Solução

Solução de Exercício 9.3.

A água doce renovável é a água doce renovada a cada ano pela precipitação e que atravessa uma região como escoamento e como água subterrânea: um volume por ano, um fluxo. A água subterrânea fóssil é água que entrou num aquífero há muito tempo e que a recarga atual não renova: é uma reserva que só pode ser consumida, um estoque.

Exercício 9.4 ★

Quantas vezes mais água contêm os lagos de água doce do mundo (91 00091\,000 km3\mathrm{km}^{3}) do que os seus rios (21202120 km3\mathrm{km}^{3})?

Solução

Solução de Exercício 9.4.

91 000/2120≈4391\,000/2120 \approx 43 vezes mais.

Exercício 9.5 ★

No gráfico dos tempos de residência, que reservatório renova a sua água mais depressa, e qual mais devagar? Quantas vezes mais tempo a água fica no oceano do que no ar?

Solução

Solução de Exercício 9.5.

A atmosfera renova a sua água mais depressa (cerca de 9.59.5 dias), e o oceano mais devagar entre os reservatórios calculados (cerca de 32003200 anos); a água subterrânea profunda é ainda mais antiga. 3200×365.25/9.5≈120 0003200 \times 365.25/9.5 \approx 120\,000 vezes mais tempo.

Exercício 9.6 ★★

A atmosfera contém 12 70012\,700 km3\mathrm{km}^{3} de água. Calcule o seu tempo de residência a partir da evaporação que entra nela (413 000413\,000 vindos do oceano e 73 00073\,000 km3\mathrm{km}^{3} vindos das terras emersas a cada ano), e verifique que ele coincide com o tempo de residência calculado a partir da precipitação que sai dela.

Solução

Solução de Exercício 9.6.

Entrada: 413 000+73 000=486 000413\,000 + 73\,000 = 486\,000 km3\mathrm{km}^{3} por ano, logo T=12 700/486 000≈0.0261T = 12\,700/486\,000 \approx 0.0261 ano ≈9.5\approx 9.5 dias. Saída: 373 000+113 000=486 000373\,000 + 113\,000 = 486\,000 km3\mathrm{km}^{3}, a mesma quantidade: o ar está em regime estacionário, e o tempo de residência é o mesmo.

Exercício 9.7 ★★

O oceano contém 1 335 0401\,335\,040 mil km3\mathrm{km}^{3} e perde 413413 mil km3\mathrm{km}^{3} por ano por evaporação. Calcule o seu tempo de residência. Por que ele é o mesmo se calculado com o que entra nele?

Solução

Solução de Exercício 9.7.

1 335 040/413≈32301\,335\,040/413 \approx 3230 anos. Em regime estacionário, o oceano recebe tanto quanto perde: 373+40=413373 + 40 = 413 mil km3\mathrm{km}^{3} por ano, de modo que o tempo de residência calculado com as entradas é o mesmo.

Exercício 9.8 ★★

Usando os fluxos do ciclo global da água, escreva o balanço das terras emersas: o que cai sobre elas, o que volta ao ar, o que escoa. Que parte da chuva que cai sobre as terras emersas volta ao ar?

Solução

Solução de Exercício 9.8.

As terras emersas recebem 113 000113\,000 km3\mathrm{km}^{3} por ano; 73 00073\,000 voltam ao ar por evaporação e transpiração e 40 00040\,000 escoam para o mar: 73 000+40 000=113 00073\,000 + 40\,000 = 113\,000. A parte devolvida ao ar é 73/113≈65 %73/113 \approx 65\,\%.

Exercício 9.9 ★★

O aquífero das High Plains perdeu cerca de 273.2273.2 milhões de acres-pés de água de cerca de 1950 a 2015 (11 acre-pé = 1233.5 m31233.5\,\mathrm{m}^{3}). Converta esse volume em km3\mathrm{km}^{3} e compare-o com o volume do Mar de Aral em 1987 (345.6 km3345.6\,\mathrm{km}^{3}).

Solução

Solução de Exercício 9.9.

273.2×106×1233.5≈3.37×1011 m3273.2 \times 10^6 \times 1233.5 \approx 3.37 \times 10^{11}\,\mathrm{m}^{3}, isto é, 337 km3337\,\mathrm{km}^{3}: quase tanto quanto toda a água que o Mar de Aral ainda continha em 1987.

Exercício 9.10 ★★

O nível médio da água do aquífero das High Plains desceu 15.815.8 pés de cerca de 1950 a 2015 (11 pé = 0.3048 m0.3048\,\mathrm{m}). Quanto é isso em metros, e em centímetros por ano?

Solução

Solução de Exercício 9.10.

15.8×0.3048≈4.82 m15.8 \times 0.3048 \approx 4.82\,\mathrm{m}. Ao longo dos 65 anos de 1950 a 2015, 482/65≈7.4 cm482/65 \approx 7.4\,\mathrm{cm} por ano.

Exercício 9.11 ★★

Um aquífero contém 2 km32\,\mathrm{km}^{3} de água e é recarregado com 0.01 km30.01\,\mathrm{km}^{3} por ano. Qual é o tempo de residência da sua água? Hoje, poços bombeiam dele 0.05 km30.05\,\mathrm{km}^{3} por ano. Suponha que a recarga continue e que os poços sejam agora a única saída da água: quanto tempo ele vai durar?

Solução

Solução de Exercício 9.11.

2/0.01=2002/0.01 = 200 anos. O estoque agora diminui 0.05−0.01=0.04 km30.05 - 0.01 = 0.04\,\mathrm{km}^{3} por ano, logo dura 2/0.04=502/0.04 = 50 anos.

Exercício 9.12 ★★★

Calcule o tempo de residência da água do Mar de Aral em 1960 (1093 km31093\,\mathrm{km}^{3}, evaporação de 71.1 km371.1\,\mathrm{km}^{3} por ano) e em 2010 (98.1 km398.1\,\mathrm{km}^{3}, evaporação de 11.4 km311.4\,\mathrm{km}^{3} por ano). Por que a sua evaporação diminuiu?

Solução

Solução de Exercício 9.12.

1960: 1093/71.1≈151093/71.1 \approx 15 anos; 2010: 98.1/11.4≈8.698.1/11.4 \approx 8.6 anos. A evaporação retira mais ou menos a mesma espessura de água a cada ano de cada quilômetro quadrado do lago; à medida que o lago encolheu, a sua área diminuiu, e com ela o volume total evaporado.

Exercício 9.13 ★★★

Um lago sem saída cobre 100 km2100\,\mathrm{km}^{2}. A evaporação retira 1.2 m1.2\,\mathrm{m} de água por ano da sua superfície, e a chuva acrescenta 0.2 m0.2\,\mathrm{m}.

  1. Que entrada, em km3\mathrm{km}^{3} por ano, mantém o seu nível estável?
  2. A entrada é reduzida à metade. Quanto o nível desce no primeiro ano?
  3. Por que a descida fica mais lenta nos anos seguintes?
Solução

Solução de Exercício 9.13.

(1) A perda líquida é de 1.2−0.2=1.0 m1.2 - 0.2 = 1.0\,\mathrm{m} por ano sobre 100×106100 \times 10^6 m2\mathrm{m}^{2}: 10810^8 m3\mathrm{m}^{3}, ou seja, 0.1 km30.1\,\mathrm{km}^{3} por ano precisa entrar. (2) A entrada cai para 0.05 km30.05\,\mathrm{km}^{3}: o lago perde 0.05 km3=5×1070.05\,\mathrm{km}^{3} = 5 \times 10^7 m3\mathrm{m}^{3}, uma camada de 5×107/108=0.5 m5 \times 10^7/10^8 = 0.5\,\mathrm{m}. (3) À medida que o nível desce, as margens saem da água e a área do lago diminui: menos superfície, menos evaporação, até que a evaporação e a entrada voltem a se equilibrar.

Exercício 9.14 ★★★

Num deserto, a chuva recarrega um aquífero com 1 mm1\,\mathrm{mm} de água por ano. O aquífero tem 100 m100\,\mathrm{m} de espessura e a água ocupa 20 %20\,\% do seu volume. Quanto tempo a recarga levaria para enchê-lo? Compare com a idade da água profunda do aquífero do Saara.

Solução

Solução de Exercício 9.14.

O aquífero contém 100×0.20=20 m100 \times 0.20 = 20\,\mathrm{m} de água, isto é, 20 000 mm20\,000\,\mathrm{mm}: a 1 mm1\,\mathrm{mm} por ano, 20 00020\,000 anos. A água profunda do aquífero do Saara tem de 200 000200\,000 a um milhão de anos, de dez a cinquenta vezes mais: ela foi recarregada durante climas passados mais úmidos.

Exercício 9.15 ★★★

O aquífero das High Plains cobre cerca de 453 000 km2453\,000\,\mathrm{km}^{2} e tinha perdido cerca de 337 km3337\,\mathrm{km}^{3} de água em 2015. Que espessura de água, espalhada sobre todo o aquífero, isso representa? O seu nível de água desceu 4.8 m4.8\,\mathrm{m} em média. Por que a descida do nível da água é maior que a espessura de água perdida?

Solução

Solução de Exercício 9.15.

337/453 000≈0.000 74 km337/453\,000 \approx 0.000\,74\,\mathrm{km}, cerca de 0.74 m0.74\,\mathrm{m} de água. O nível da água desceu 4.8 m4.8\,\mathrm{m}, cerca de seis vezes e meia mais. A água só ocupa os poros da rocha (e nem toda ela escoa): quando o lençol freático desce um metro, a água liberada é uma camada muito mais fina que um metro, aqui cerca de 0.74/4.8≈0.150.74/4.8 \approx 0.15 m.

9.7 Problema: o balanço do Mar de Aral

Problema 9.1

Problema de fim de semana — com que rapidez um lago desaparece?

A tabela dá o balanço do Mar de Aral em quatro anos (volumes em km3\mathrm{km}^{3}, salinidade em gramas de sal por litro). Em 1960, o lago cobria 68 000 km268\,000\,\mathrm{km}^{2}.

anoentrada dos rioschuva sobre o lagoevaporaçãovolumesalinidade
196042.09.471.11093.010.0
19840.33.547.9502.721.9
19871.06.236.8345.625.0
19893.15.335.3327.230.0
Dados: Gaybullaev e colaboradores (2012).

Parte I — O lago em 1960.

  1. Qual era a profundidade média do lago em 1960?
  2. Exprima o seu volume em metros cúbicos.
  3. Que massa de sal ele continha, em toneladas?
  4. Qual era o tempo de residência da sua água, contado com a evaporação?
  5. Por que um lago sem saída só pode perder água por evaporação (e por infiltração)?

Parte II — Do que o lago precisa.

  1. Que espessura de água a evaporação retirou do lago em 1960, em metros?
  2. Que espessura a chuva acrescentou?
  3. Que entrada dos rios teria equilibrado exatamente a evaporação e a chuva?
  4. Os dois rios levam em média cerca de 79 km379\,\mathrm{km}^{3} e 37 km337\,\mathrm{km}^{3} por ano para fora das montanhas. Que parte disso o lago precisaria?

Parte III — O lago no fim dos anos 1980.

  1. Escreva o balanço de 1987: entradas, saídas, variação líquida.
  2. Entre 1984 e 1989, o volume caiu de 502.7 km3502.7\,\mathrm{km}^{3} para 327.2 km3327.2\,\mathrm{km}^{3}. Qual foi a queda média por ano? Compare com o balanço de 1987.
  3. Suponha que um quilômetro quadrado de lago perca tanta água por evaporação quanto em 1960. Qual era a área do lago em 1987?
  4. Que parte da sua área de 1960 é isso?
  5. Por que a evaporação tinha caído de 71.1 km371.1\,\mathrm{km}^{3} para 36.8 km336.8\,\mathrm{km}^{3}?
  6. Que parte do seu volume de 1960 o lago ainda continha em 1987?

Parte IV — O sal e o nível.

  1. Se todo o sal de 1960 tivesse ficado na água, qual teria sido a salinidade em 1987?
  2. A tabela dá 25.0 g/L25.0\,\mathrm{g}/\mathrm{L}. O que a diferença sugere?
  3. Sem nenhuma entrada e sem chuva alguma, quanto o nível desceria a cada ano?
  4. Em 1987, quanto os rios e a chuva acrescentaram, como espessura sobre a área da questão 12?
  5. Quanto o nível do Mar de Aral desceu em 1987?
Solução

Solução de Problema 9.1.

1. 1093/68 000≈0.016 km1093/68\,000 \approx 0.016\,\mathrm{km}, cerca de 16 m16\,\mathrm{m}.

2. 1093×109≈1.09×1012 m31093 \times 10^9 \approx 1.09 \times 10^{12}\,\mathrm{m}^{3}.

3. 10 g/L10\,\mathrm{g}/\mathrm{L} são 10 kg/m310\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}: 1.093×1012×10≈1.1×1013 kg1.093 \times 10^{12} \times 10 \approx 1.1 \times 10^{13}\,\mathrm{kg}, cerca de 1111 bilhões de toneladas.

4. 1093/71.1≈151093/71.1 \approx 15 anos.

5. Nenhum rio sai dele: a sua água só pode sair como vapor (ou se infiltrando no solo), enquanto o sal fica.

6. 71.1/68 000≈0.001 05 km71.1/68\,000 \approx 0.001\,05\,\mathrm{km}, cerca de 1.05 m1.05\,\mathrm{m}.

7. 9.4/68 000≈0.000 14 km9.4/68\,000 \approx 0.000\,14\,\mathrm{km}, cerca de 0.14 m0.14\,\mathrm{m}.

8. 71.1−9.4=61.7 km371.1 - 9.4 = 61.7\,\mathrm{km}^{3} por ano.

9. 79+37=116 km379 + 37 = 116\,\mathrm{km}^{3}: 61.7/116≈53 %61.7/116 \approx 53\,\%, cerca da metade.

10. Entradas 1.0+6.2=7.2 km31.0 + 6.2 = 7.2\,\mathrm{km}^{3}; saída 36.8 km336.8\,\mathrm{km}^{3}; variação líquida 7.2−36.8=−29.6 km37.2 - 36.8 = -29.6\,\mathrm{km}^{3}.

11. (502.7−327.2)/5=35.1 km3(502.7 - 327.2)/5 = 35.1\,\mathrm{km}^{3} por ano: a mesma ordem de grandeza que os 29.6 km329.6\,\mathrm{km}^{3} do balanço de 1987 (os anos isolados diferem: a evaporação foi de 47.9 km347.9\,\mathrm{km}^{3} em 1984).

12. 36.8/0.00105≈35 000 km236.8/0.00105 \approx 35\,000\,\mathrm{km}^{2}.

13. 35 000/68 000≈52 %35\,000/68\,000 \approx 52\,\%, cerca da metade.

14. O lago tinha encolhido: metade da superfície evapora mais ou menos metade da água.

15. 345.6/1093≈32 %345.6/1093 \approx 32\,\%, cerca de um terço.

16. 10×1093/345.6≈31.6 g/L10 \times 1093/345.6 \approx 31.6\,\mathrm{g}/\mathrm{L}.

17. A salinidade medida é menor: parte do sal tinha saído da água, cristalizado no leito exposto e sido levado pelo vento como poeira salgada.

18. Cerca de 1.05 m1.05\,\mathrm{m} por ano, a espessura evaporada.

19. 7.2/35 000≈0.0002 km7.2/35\,000 \approx 0.0002\,\mathrm{km}, cerca de 0.20 m0.20\,\mathrm{m}.

20. 1.05−0.20≈0.851.05 - 0.20 \approx 0.85 (0.840.84 com os valores não arredondados): em 1987, o nível do Mar de Aral desceu cerca de 0.8 m0.8\,\mathrm{m}, perto de um metro num único ano.

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