El ciclo del agua (o ciclo hidrológico o ciclo hidrológico ) es un ciclo biogeoquímico que implica el movimiento continuo del agua sobre, por encima y por debajo de la superficie de la Tierra . La masa de agua en la Tierra permanece bastante constante a lo largo del tiempo. Sin embargo, la partición del agua en los principales reservorios de hielo , agua dulce , agua salada y agua atmosférica es variable y depende de las variables climáticas . El agua se mueve de un reservorio a otro, como de un río al océano , o del océano a la atmósfera. Los procesos que impulsan estos movimientos son la evaporación , la transpiración , la condensación , la precipitación , la sublimación , la infiltración , la escorrentía superficial y el flujo subterráneo. Al hacerlo, el agua pasa por diferentes formas: líquida, sólida ( hielo ) y vapor . El océano juega un papel clave en el ciclo del agua, ya que es la fuente del 86% de la evaporación global. [2]
El ciclo del agua implica un intercambio de energía que provoca cambios de temperatura . Cuando el agua se evapora, absorbe energía de su entorno y enfría el ambiente. Cuando se condensa, libera energía y calienta el ambiente. Estos intercambios de calor influyen en el sistema climático .
La fase de evaporación del ciclo purifica el agua porque hace que las sales y otros sólidos recogidos durante el ciclo se queden atrás. La fase de condensación en la atmósfera repone la tierra con agua dulce. El flujo de agua líquida y hielo transporta minerales por todo el planeta. También modifica las características geológicas de la Tierra, a través de procesos como la erosión y la sedimentación . El ciclo del agua también es esencial para el mantenimiento de la mayoría de la vida y los ecosistemas del planeta.
Las acciones humanas están afectando en gran medida el ciclo del agua. Actividades como la deforestación , la urbanización y la extracción de agua subterránea están alterando los paisajes naturales ( cambios en el uso del suelo ), todas ellas tienen un efecto sobre el ciclo del agua. [3] : 1153 Además de esto, el cambio climático está provocando una intensificación del ciclo del agua . Las investigaciones han demostrado que el calentamiento global está provocando cambios en los patrones de precipitación, una mayor frecuencia de fenómenos meteorológicos extremos y cambios en el momento y la intensidad de las precipitaciones. [4] : 85 Estos cambios en el ciclo del agua afectan a los ecosistemas , la disponibilidad de agua , la agricultura y las sociedades humanas.
El ciclo del agua se alimenta de la energía emitida por el sol. Esta energía calienta el agua de los océanos y los mares. El agua se evapora en forma de vapor de agua en el aire . Algunos hielos y nieves se subliman directamente en vapor de agua. La evapotranspiración es el agua que transpiran las plantas y se evapora del suelo. La molécula de agua H
2El O tiene una masa molecular menor que los principales componentes de la atmósfera, el nitrógeno ( N
2) y oxígeno ( O
2) y, por lo tanto, es menos denso. Debido a la diferencia significativa en densidad, la flotabilidad impulsa el aire húmedo a mayor altura. A medida que aumenta la altitud, la presión del aire disminuye y la temperatura desciende (ver Leyes de los gases ). La temperatura más baja hace que el vapor de agua se condense en pequeñas gotas de agua líquida que son más pesadas que el aire y que caen a menos que estén sostenidas por una corriente ascendente. Una gran concentración de estas gotas sobre un área grande en la atmósfera se vuelve visible como nube , mientras que la condensación cerca del nivel del suelo se conoce como niebla .
La circulación atmosférica mueve el vapor de agua alrededor del globo; las partículas de las nubes chocan, crecen y caen de las capas atmosféricas superiores en forma de precipitación . Algunas precipitaciones caen en forma de nieve, granizo o aguanieve, y pueden acumularse en los casquetes polares y glaciares , que pueden almacenar agua congelada durante miles de años. La mayor parte del agua cae en forma de lluvia de regreso al océano o a la tierra, donde el agua fluye sobre el suelo como escorrentía superficial . Una parte de esta escorrentía ingresa a los ríos, y el flujo de los arroyos mueve el agua hacia los océanos. La escorrentía y el agua que emerge del suelo ( agua subterránea ) pueden almacenarse como agua dulce en lagos. No toda la escorrentía fluye hacia los ríos; gran parte se filtra en el suelo como infiltración . Parte del agua se infiltra profundamente en el suelo y repone los acuíferos , que pueden almacenar agua dulce durante largos períodos de tiempo. Parte de la infiltración permanece cerca de la superficie terrestre y puede filtrarse nuevamente en los cuerpos de agua superficial (y el océano) como descarga de agua subterránea o ser absorbida por las plantas y transferida de regreso a la atmósfera como vapor de agua por transpiración . Algunas aguas subterráneas encuentran aberturas en la superficie terrestre y emergen en forma de manantiales de agua dulce. En los valles fluviales y las llanuras aluviales , suele haber un intercambio continuo de agua entre las aguas superficiales y las subterráneas en la zona hiporreica . Con el tiempo, el agua regresa al océano para continuar el ciclo del agua.
El océano desempeña un papel fundamental en el ciclo del agua. El océano contiene "el 97% del agua total del planeta; el 78% de las precipitaciones mundiales se producen sobre el océano y es la fuente del 86% de la evaporación global". [2]
Los procesos físicos importantes dentro del ciclo del agua incluyen (en orden alfabético):
El tiempo de residencia de un reservorio dentro del ciclo hidrológico es el tiempo promedio que una molécula de agua permanecerá en ese reservorio ( ver tabla ). Es una medida de la edad promedio del agua en ese reservorio.
Las aguas subterráneas pueden permanecer más de 10.000 años bajo la superficie de la Tierra antes de abandonarla. [17] Las aguas subterráneas especialmente antiguas se denominan aguas fósiles . El agua almacenada en el suelo permanece allí muy brevemente, porque está esparcida en forma fina sobre la Tierra, y se pierde fácilmente por evaporación, transpiración, escorrentía fluvial o recarga de agua subterránea. Después de evaporarse, el tiempo de residencia en la atmósfera es de unos 9 días antes de condensarse y caer a la Tierra en forma de precipitación.
Las principales capas de hielo ( la Antártida y Groenlandia ) almacenan hielo durante períodos muy largos. Se ha podido datar con certeza que el hielo de la Antártida data de hace 800.000 años, aunque el tiempo promedio de permanencia es más corto. [18]
En hidrología, los tiempos de residencia se pueden estimar de dos maneras. [ cita requerida ] El método más común se basa en el principio de conservación de la masa ( balance hídrico ) y supone que la cantidad de agua en un depósito determinado es aproximadamente constante. Con este método, los tiempos de residencia se estiman dividiendo el volumen del depósito por la velocidad a la que el agua entra o sale del depósito. Conceptualmente, esto es equivalente a cronometrar cuánto tiempo tardaría el depósito en llenarse desde vacío si no saliera agua (o cuánto tiempo tardaría el depósito en vaciarse desde lleno si no entrara agua).
Un método alternativo para estimar los tiempos de residencia, que está ganando popularidad para la datación de aguas subterráneas, es el uso de técnicas isotópicas . Esto se realiza en el subcampo de la hidrología isotópica .
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El ciclo del agua describe los procesos que impulsan el movimiento del agua a través de la hidrosfera . Sin embargo, hay mucha más agua "almacenada" (o en "depósitos") durante largos períodos de tiempo de la que realmente se mueve a través del ciclo. Los almacenes de la gran mayoría de toda el agua de la Tierra son los océanos. Se estima que de los 1.386.000.000 km3 de suministro de agua del mundo, alrededor de 1.338.000.000 km3 están almacenados en los océanos, o aproximadamente el 97%. También se estima que los océanos suministran alrededor del 90% del agua evaporada que entra en el ciclo del agua. [20] Los casquetes polares, los glaciares y la capa de nieve permanente de la Tierra almacenan otros 24.064.000 km3 , lo que representa solo el 1,7% del volumen total de agua del planeta. Sin embargo, esta cantidad de agua es el 68,7% de toda el agua dulce del planeta. [21]
Las actividades humanas pueden alterar el ciclo del agua a nivel local o regional. Esto sucede debido a cambios en el uso y la cobertura del suelo . Dichos cambios afectan a "la precipitación, la evaporación, las inundaciones, las aguas subterráneas y la disponibilidad de agua dulce para diversos usos". [3] : 1153
Ejemplos de estos cambios en el uso del suelo son la conversión de campos en zonas urbanas o la tala de bosques . Estos cambios pueden afectar la capacidad de los suelos para absorber el agua superficial. La deforestación tiene efectos tanto locales como regionales. Por ejemplo, reduce la humedad del suelo, la evaporación y las precipitaciones a nivel local. Además, la deforestación provoca cambios regionales de temperatura que pueden afectar los patrones de precipitaciones. [3] : 1153
La reducción o sobreexplotación de los acuíferos y el bombeo de agua fósil aumentan la cantidad total de agua en la hidrosfera. Esto se debe a que el agua que originalmente estaba en el suelo ahora está disponible para la evaporación, ya que está en contacto con la atmósfera. [3] : 1153
Desde mediados del siglo XX, el cambio climático provocado por el hombre ha provocado cambios observables en el ciclo global del agua. [4] : 85 El Sexto Informe de Evaluación del IPCC en 2021 predijo que estos cambios seguirán creciendo significativamente a nivel mundial y regional. [4] : 85 Estos hallazgos son una continuación del consenso científico expresado en el Quinto Informe de Evaluación del IPCC de 2007 y otros informes especiales del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático que ya habían afirmado que el ciclo del agua seguirá intensificándose a lo largo del siglo XXI. [3]
Los efectos del cambio climático en el ciclo del agua son profundos y se han descrito como una intensificación o un fortalecimiento del ciclo del agua (también llamado ciclo hidrológico). [23] : 1079 Este efecto se ha observado desde al menos 1980. [23] : 1079 Un ejemplo es cuando los eventos de fuertes lluvias se vuelven aún más fuertes. Los efectos del cambio climático en el ciclo del agua tienen importantes efectos negativos en la disponibilidad de recursos de agua dulce , así como otros reservorios de agua como los océanos , las capas de hielo , la atmósfera y la humedad del suelo . El ciclo del agua es esencial para la vida en la Tierra y juega un papel importante en el sistema climático global y la circulación oceánica . Se espera que el calentamiento de nuestro planeta esté acompañado de cambios en el ciclo del agua por varias razones. [24] Por ejemplo, una atmósfera más cálida puede contener más vapor de agua que tiene efectos sobre la evaporación y las precipitaciones .
La causa subyacente de la intensificación del ciclo del agua es la mayor cantidad de gases de efecto invernadero en la atmósfera, que conducen a una atmósfera más cálida a través del efecto invernadero . [24] Las leyes fundamentales de la física explican cómo la presión de vapor de saturación en la atmósfera aumenta en un 7% cuando la temperatura aumenta en 1 °C. [25] Esta relación se conoce como la ecuación de Clausius-Clapeyron .
La fuerza del ciclo del agua y sus cambios a lo largo del tiempo son de considerable interés, especialmente a medida que cambia el clima. [26] El ciclo hidrológico es un sistema por el cual la evaporación de la humedad en un lugar conduce a la precipitación (lluvia o nieve) en otro lugar. Por ejemplo, la evaporación siempre excede la precipitación sobre los océanos. Esto permite que la humedad sea transportada por la atmósfera desde los océanos hasta la tierra donde la precipitación excede la evapotranspiración . La escorrentía de la tierra fluye hacia arroyos y ríos y se descarga en el océano, lo que completa el ciclo global. [26] El ciclo del agua es una parte clave del ciclo energético de la Tierra a través del enfriamiento por evaporación en la superficie que proporciona calor latente a la atmósfera, ya que los sistemas atmosféricos juegan un papel principal en el movimiento del calor hacia arriba. [26]Si bien el ciclo del agua es en sí mismo un ciclo biogeoquímico , el flujo de agua sobre y debajo de la Tierra es un componente clave del ciclo de otros biogeoquímicos. [27] La escorrentía es responsable de casi todo el transporte de sedimentos erosionados y fósforo desde la tierra hasta los cuerpos de agua . [28] La salinidad de los océanos se deriva de la erosión y el transporte de sales disueltas desde la tierra. La eutrofización cultural de los lagos se debe principalmente al fósforo, aplicado en exceso a los campos agrícolas en fertilizantes , y luego transportado por tierra y ríos. Tanto la escorrentía como el flujo de agua subterránea juegan un papel importante en el transporte de nitrógeno desde la tierra hasta los cuerpos de agua. [29] La zona muerta en la desembocadura del río Misisipi es una consecuencia de los nitratos de los fertilizantes que se transportan desde los campos agrícolas y se canalizan por el sistema fluvial hasta el Golfo de México . La escorrentía también juega un papel en el ciclo del carbono , nuevamente a través del transporte de roca y suelo erosionados. [30]
El viento hidrodinámico dentro de la parte superior de la atmósfera de un planeta permite que elementos químicos ligeros como el hidrógeno se desplacen hasta la exobase , el límite inferior de la exosfera , donde los gases pueden alcanzar la velocidad de escape y entrar al espacio exterior sin impactar con otras partículas de gas. Este tipo de pérdida de gas de un planeta al espacio se conoce como viento planetario . [31] Los planetas con atmósferas inferiores cálidas podrían dar lugar a atmósferas superiores húmedas que aceleran la pérdida de hidrógeno. [32]
En la antigüedad se creía ampliamente que la masa terrestre flotaba sobre una masa de agua y que la mayor parte del agua de los ríos tenía su origen bajo la tierra. Se pueden encontrar ejemplos de esta creencia en las obras de Homero ( c. 800 a. C. ).
En Los trabajos y los días (ca. 700 a. C.), el poeta griego Hesíodo describe la idea del ciclo del agua: "[El vapor] se extrae de los ríos siempre fluyentes y se eleva por encima de la tierra por las tormentas de viento, y a veces se convierte en lluvia hacia la tarde, y a veces en viento cuando el Bóreas tracio amontona las espesas nubes". [ cita requerida ]
En el antiguo Cercano Oriente , los eruditos hebreos observaron que, aunque los ríos desembocaban en el mar, este nunca se llenaba. Algunos eruditos concluyen que el ciclo del agua se describió completamente durante esta época en este pasaje: “El viento va hacia el sur y gira hacia el norte; gira continuamente, y el viento vuelve a sus cauces. Todos los ríos van al mar, pero el mar no se llena; al lugar de donde vienen los ríos, allí vuelven de nuevo” (Eclesiastés 1:6-7). [33] Además, también se observó que cuando las nubes estaban llenas, derramaban lluvia sobre la tierra (Eclesiastés 11:3).
En el Adityahridayam (un himno devocional al dios Sol) del Ramayana , una epopeya hindú que data del siglo IV a. C., se menciona en el verso 22 que el Sol calienta el agua y la envía en forma de lluvia. Hacia el año 500 a. C., los eruditos griegos especulaban que gran parte del agua de los ríos podía atribuirse a la lluvia. Para entonces, también se conocía el origen de la lluvia. Sin embargo, estos eruditos mantenían la creencia de que el agua que subía a través de la tierra contribuía en gran medida a la formación de los ríos. Entre los ejemplos de este pensamiento se incluyen Anaximandro (570 a. C.) (que también especuló sobre la evolución de los animales terrestres a partir de los peces [34] ) y Jenófanes de Colofón (530 a. C.). [35] Los eruditos chinos del período de los Reinos Combatientes, como Chi Ni Tzu (320 a. C.) y Lu Shih Ch'un Ch'iu (239 a. C.), tenían ideas similares. [36]
La idea de que el ciclo del agua es un ciclo cerrado se puede encontrar en las obras de Anaxágoras de Clazómenas (460 a. C.) y Diógenes de Apolonia (460 a. C.). Tanto Platón (390 a. C.) como Aristóteles (350 a. C.) especularon sobre la percolación como parte del ciclo del agua. Aristóteles planteó correctamente la hipótesis de que el sol desempeñaba un papel en el ciclo hidráulico de la Tierra en su libro Meteorología , escribiendo "Por su acción [del sol], el agua más fina y dulce es transportada todos los días hacia arriba y se disuelve en vapor y sube a las regiones superiores, donde se condensa de nuevo por el frío y así regresa a la tierra", y creía que las nubes estaban compuestas de vapor de agua enfriado y condensado. [37] [38] Al igual que el anterior Aristóteles, el científico chino Han oriental Wang Chong (27-100 d. C.) describió con precisión el ciclo del agua de la Tierra en su Lunheng , pero fue rechazado por sus contemporáneos. [39]
Hasta el Renacimiento se suponía erróneamente que las precipitaciones por sí solas no eran suficientes para alimentar los ríos y completar el ciclo del agua, y que las aguas subterráneas que ascendían desde los océanos eran las principales fuentes de agua de los ríos. Bartolomé de Inglaterra (1240 d. C.) sostenía esta opinión, al igual que Leonardo da Vinci (1500 d. C.) y Athanasius Kircher (1644 d. C.).
El primer pensador publicado que afirmó que las lluvias por sí solas eran suficientes para el mantenimiento de los ríos fue Bernard Palissy (1580 d. C.), a quien a menudo se le atribuye el mérito de descubrir la teoría moderna del ciclo del agua. Las teorías de Palissy no se probaron científicamente hasta 1674, en un estudio que se suele atribuir a Pierre Perrault . Incluso entonces, estas creencias no fueron aceptadas en la ciencia convencional hasta principios del siglo XIX. [40]
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