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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 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 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.
| reservatório | volume () | parte da água doce |
|---|---|---|
| oceanos, mares e baías | (salgada) | |
| calotas de gelo, geleiras e neve permanente | ||
| água subterrânea doce | ||
| gelo do solo e permafrost | ||
| lagos de água doce | ||
| umidade do solo | ||
| atmosfera | ||
| rios |
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 está equilibrado. A cada ano, o oceano perde por evaporação e recebe de volta como chuva e neve e dos rios. O ar recebe e devolve , a mesma quantidade. As terras emersas recebem de precipitação; voltam ao ar por evaporação e pelas folhas das plantas, e os 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 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 atravessado por um fluxo (de entrada e de saída), o tempo de residência é
Demonstração. Em regime estacionário, um volume entra e um volume sai a cada ano, enquanto o estoque permanece . Depois de um tempo , entrou um volume : tanto quanto o reservatório inteiro contém. Em média, a água presente no início foi então substituída, de modo que a água fica no reservatório. ∎
Exemplo 9.5 (A água no ar)
A atmosfera contém de água, e caem dela a cada ano como chuva e neve. O seu tempo de residência é ano, cerca de 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 dias para a água nos leitos dos rios ( levados por por ano), alguns anos para os lagos e os rios juntos, e cerca de anos para o oceano ( mil ). A água subterrânea pode ser ainda mais lenta: a água mais profunda de alguns aquíferos tem centenas de milhares de anos.
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)
- Escolha o reservatório: um lago, um aquífero, uma bacia, o ar.
- Liste cada fluxo que entra nele (rios, chuva, infiltração) e que sai dele (rios, evaporação, bombeamento), na mesma unidade.
- A variação do estoque por ano é a soma das entradas menos a soma das saídas.
- 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.
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 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 milhas quadradas () é bombeado para a irrigação desde cerca de 1950. Em 2015, o seu nível de água tinha descido em média, e até (234 pés) em alguns poços; o aquífero tinha perdido cerca de milhões de acres-pés de água, uns .
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.
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 , continha e a sua água tinha de sal por litro. Nesse ano, a evaporação retirou , e a chuva sobre o lago trouxe : para manter o seu nível, o lago precisava de 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 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 (). 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.
Em 2010, o lago continha , um décimo do seu volume de 1960, sobre ; a sua salinidade tinha chegado a , muito mais salgado que o oceano. O seu nível tinha descido mais de . 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 (ou em quilogramas). Um fluxo é a quantidade que passa de um reservatório para outro por unidade de tempo, em 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 de toda a água é doce. Da água doce, está congelada nas calotas de gelo, nas geleiras e na neve permanente, e está no subsolo. Os rios são os que contêm menos, .
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 ( ) do que os seus rios ( )?
Solução
Solução de Exercício 9.4.
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 dias), e o oceano mais devagar entre os reservatórios calculados (cerca de anos); a água subterrânea profunda é ainda mais antiga. vezes mais tempo.
Exercício 9.6 ★★
A atmosfera contém de água. Calcule o seu tempo de residência a partir da evaporação que entra nela ( vindos do oceano e 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: por ano, logo ano dias. Saída: , a mesma quantidade: o ar está em regime estacionário, e o tempo de residência é o mesmo.
Exercício 9.7 ★★
O oceano contém mil e perde mil 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.
anos. Em regime estacionário, o oceano recebe tanto quanto perde: mil 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 por ano; voltam ao ar por evaporação e transpiração e escoam para o mar: . A parte devolvida ao ar é .
Exercício 9.9 ★★
O aquífero das High Plains perdeu cerca de milhões de acres-pés de água de cerca de 1950 a 2015 ( acre-pé = ). Converta esse volume em e compare-o com o volume do Mar de Aral em 1987 ().
Solução
Solução de Exercício 9.9.
, isto é, : 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 pés de cerca de 1950 a 2015 ( pé = ). Quanto é isso em metros, e em centímetros por ano?
Solução
Solução de Exercício 9.10.
. Ao longo dos 65 anos de 1950 a 2015, por ano.
Exercício 9.11 ★★
Um aquífero contém de água e é recarregado com por ano. Qual é o tempo de residência da sua água? Hoje, poços bombeiam dele por ano. Suponha que a recarga continue e que os poços sejam agora a única saída da água: quanto tempo ele vai durar?
Exercício 9.12 ★★★
Calcule o tempo de residência da água do Mar de Aral em 1960 (, evaporação de por ano) e em 2010 (, evaporação de por ano). Por que a sua evaporação diminuiu?
Solução
Solução de Exercício 9.12.
1960: anos; 2010: 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 . A evaporação retira de água por ano da sua superfície, e a chuva acrescenta .
- Que entrada, em por ano, mantém o seu nível estável?
- A entrada é reduzida à metade. Quanto o nível desce no primeiro ano?
- Por que a descida fica mais lenta nos anos seguintes?
Solução
Solução de Exercício 9.13.
(1) A perda líquida é de por ano sobre : , ou seja, por ano precisa entrar. (2) A entrada cai para : o lago perde , uma camada de . (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 de água por ano. O aquífero tem de espessura e a água ocupa 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 de água, isto é, : a por ano, anos. A água profunda do aquífero do Saara tem de 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 e tinha perdido cerca de de água em 2015. Que espessura de água, espalhada sobre todo o aquífero, isso representa? O seu nível de água desceu em média. Por que a descida do nível da água é maior que a espessura de água perdida?
Solução
Solução de Exercício 9.15.
, cerca de de água. O nível da água desceu , 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 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 , salinidade em gramas de sal por litro). Em 1960, o lago cobria .
| ano | entrada dos rios | chuva sobre o lago | evaporação | volume | salinidade |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 — O lago em 1960.
- Qual era a profundidade média do lago em 1960?
- Exprima o seu volume em metros cúbicos.
- Que massa de sal ele continha, em toneladas?
- Qual era o tempo de residência da sua água, contado com a evaporação?
- Por que um lago sem saída só pode perder água por evaporação (e por infiltração)?
Parte II — Do que o lago precisa.
- Que espessura de água a evaporação retirou do lago em 1960, em metros?
- Que espessura a chuva acrescentou?
- Que entrada dos rios teria equilibrado exatamente a evaporação e a chuva?
- Os dois rios levam em média cerca de e por ano para fora das montanhas. Que parte disso o lago precisaria?
Parte III — O lago no fim dos anos 1980.
- Escreva o balanço de 1987: entradas, saídas, variação líquida.
- Entre 1984 e 1989, o volume caiu de para . Qual foi a queda média por ano? Compare com o balanço de 1987.
- Suponha que um quilômetro quadrado de lago perca tanta água por evaporação quanto em 1960. Qual era a área do lago em 1987?
- Que parte da sua área de 1960 é isso?
- Por que a evaporação tinha caído de para ?
- Que parte do seu volume de 1960 o lago ainda continha em 1987?
Parte IV — O sal e o nível.
- Se todo o sal de 1960 tivesse ficado na água, qual teria sido a salinidade em 1987?
- A tabela dá . O que a diferença sugere?
- Sem nenhuma entrada e sem chuva alguma, quanto o nível desceria a cada ano?
- Em 1987, quanto os rios e a chuva acrescentaram, como espessura sobre a área da questão 12?
- Quanto o nível do Mar de Aral desceu em 1987?
Solução
Solução de Problema 9.1.
1. , cerca de .
2. .
3. são : , cerca de bilhões de toneladas.
4. anos.
5. Nenhum rio sai dele: a sua água só pode sair como vapor (ou se infiltrando no solo), enquanto o sal fica.
6. , cerca de .
7. , cerca de .
8. por ano.
9. : , cerca da metade.
10. Entradas ; saída ; variação líquida .
11. por ano: a mesma ordem de grandeza que os do balanço de 1987 (os anos isolados diferem: a evaporação foi de em 1984).
12. .
13. , cerca da metade.
14. O lago tinha encolhido: metade da superfície evapora mais ou menos metade da água.
15. , cerca de um terço.
16. .
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 por ano, a espessura evaporada.
19. , cerca de .
20. ( com os valores não arredondados): em 1987, o nível do Mar de Aral desceu cerca de , perto de um metro num único ano.