El ciclo del agua , también conocido como ciclo hidrológico o ciclo hidrológico , es un ciclo biogeoquímico que describe el movimiento continuo del agua sobre, encima y debajo de la superficie de la Tierra . La masa de agua en la Tierra permanece bastante constante a lo largo del tiempo, pero la división del agua en los principales depósitos de hielo , agua dulce , agua salina (agua salada) y agua atmosférica es variable dependiendo de una amplia gama de variables climáticas . El agua se mueve de un reservorio a otro, como del río al océano , o del océano a la atmósfera, mediante procesos físicos de evaporación , transpiración , condensación , precipitación , infiltración , escorrentía superficial y flujo subterráneo. Al hacerlo, el agua pasa por diferentes formas: líquida, sólida ( hielo ) y vapor . El océano desempeña un papel clave en el ciclo del agua, ya que es la fuente del 86% de la evaporación global. [1]
El ciclo del agua implica el intercambio de energía, lo que conduce a cambios de temperatura . Cuando el agua se evapora, absorbe energía de su entorno y lo enfría. Cuando se condensa, libera energía y calienta el ambiente. Estos intercambios de calor influyen en el clima .
La fase de evaporación del ciclo purifica el agua, lo que hace que las sales y otros sólidos recogidos durante el ciclo queden atrás, y luego 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 mundo. También participa en la remodelación de las características geológicas de la Tierra, a través de procesos que incluyen 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.
El ciclo del agua se alimenta de la energía emitida por el sol. Esta energía calienta el agua de los océanos y mares. El agua se evapora como vapor de agua en el aire . Parte del hielo y la nieve se subliman directamente en vapor de agua. La evapotranspiración es el agua transpirada de las plantas y evaporada del suelo. La molécula de agua H.
2O tiene una masa molecular más pequeña que los componentes principales de la atmósfera, el nitrógeno ( N
2) y oxígeno ( O
2) y por tanto es menos denso. Debido a la importante diferencia de densidad, la flotabilidad eleva el aire húmedo. A medida que aumenta la altitud, la presión del aire disminuye y la temperatura desciende (consulte 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 sean sostenidas por una corriente ascendente. Una enorme concentración de estas gotas en una gran área de la atmósfera se vuelve visible en forma de nube , mientras que la condensación cerca del nivel del suelo se conoce como niebla .
La circulación atmosférica mueve el vapor de agua por todo el mundo; Las partículas de las nubes chocan, crecen y caen de las capas atmosféricas superiores en forma de precipitación . Parte de la precipitación cae en forma de nieve, granizo o aguanieve y puede acumularse en casquetes polares y glaciares , que pueden almacenar agua congelada durante miles de años. La mayor parte del agua cae en forma de lluvia al océano o a la tierra, donde fluye sobre el suelo como escorrentía superficial . Una parte de esta escorrentía ingresa a los ríos, y el flujo de las corrientes mueve el agua hacia los océanos. La escorrentía y el agua que emerge del suelo ( agua subterránea ) pueden almacenarse como agua dulce en los lagos. No toda la escorrentía desemboca en los ríos; gran parte penetra 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 volver a filtrarse a las masas de agua superficial (y al 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 como manantiales de agua dulce. En los valles fluviales y las llanuras aluviales , suele haber un intercambio continuo de agua entre el agua superficial y el agua subterránea en la zona hiporreica . Con el tiempo, el agua regresa al océano para continuar el ciclo del agua.
El océano juega un papel clave en el ciclo del agua. El océano contiene "el 97% del agua total del planeta; el 78% de la precipitación global ocurre sobre el océano y es la fuente del 86% de la evaporación global". [1]
Los procesos físicos importantes dentro del ciclo del agua incluyen los siguientes (en orden alfabético):
El tiempo de residencia de un reservorio dentro del ciclo hidrológico es el tiempo promedio que una molécula de agua pasará en ese reservorio ( ver tabla adyacente ). Es una medida de la edad promedio del agua en ese embalse.
El agua subterránea puede pasar más de 10.000 años bajo la superficie de la Tierra antes de desaparecer. En particular, las aguas subterráneas antiguas se denominan aguas fósiles . El agua almacenada en el suelo permanece allí por muy poco tiempo, porque se distribuye en una fina capa por toda la Tierra y se pierde fácilmente por evaporación, transpiración, flujo de corrientes o recarga de aguas subterráneas. 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 prolongados. Se ha datado de forma fiable que el hielo de la Antártida data de hace 800.000 años antes del presente, aunque el tiempo medio de residencia es más corto. [14]
En hidrología, los tiempos de residencia se pueden estimar de dos maneras. [ cita necesaria ] El método más común se basa en el principio de conservación de la masa ( equilibrio 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 equivale a cronometrar cuánto tiempo tardaría el depósito en llenarse si no saliera agua (o cuánto tiempo tardaría en vaciarse si no entrara agua).
Un método alternativo para estimar los tiempos de residencia, que está ganando popularidad para datar aguas subterráneas, es el uso de técnicas isotópicas . Esto se hace 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 lo largo de la hidrosfera . Sin embargo, hay mucha más agua "almacenada" (o en "piscinas") durante largos períodos de tiempo de la que realmente se mueve a lo largo del ciclo. Los depósitos de la gran mayoría del agua de la Tierra son los océanos. Se estima que de los 1.386.000.000 km 3 del suministro de agua mundial, alrededor de 1.338.000.000 km 3 están almacenados en los océanos, o alrededor del 97%. También se estima que los océanos suministran alrededor del 90% del agua evaporada que entra en el ciclo del agua. [16] Los casquetes polares, los glaciares y la capa de nieve permanente de la Tierra almacenan otros 24.064.000 km 3 , lo que representa sólo el 1,7% del volumen total de agua del planeta. Sin embargo, esta cantidad de agua representa el 68,7% de toda el agua dulce del planeta. [17]
Desde mediados del siglo XX, el cambio climático causado por el hombre ha dado lugar a cambios observables en el ciclo global del agua. [19] : 85 El Sexto Informe de Evaluación del IPCC de 2021 predijo que estos cambios seguirán creciendo significativamente a nivel global y regional. [19] : 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 Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático que ya había afirmado que el ciclo del agua continuará intensificándose a lo largo del siglo XXI. [20]
Los efectos del cambio climático en el ciclo del agua son profundos y han sido descritos como una intensificación o un fortalecimiento del ciclo del agua (también llamado ciclo hidrológico). [21] : 1079 Este efecto se ha observado al menos desde 1980. [21] : 1079 Un ejemplo es la intensificación de los eventos de fuertes precipitaciones . Esto tiene importantes efectos negativos sobre la disponibilidad de recursos de agua dulce , así como sobre otras reservas de agua como océanos, capas de hielo, atmósfera y superficie terrestre. El ciclo del agua es esencial para la vida en la Tierra y desempeña un papel importante en el clima global y la circulación oceánica . Se espera que el calentamiento de nuestro planeta provoque cambios en el ciclo del agua por diversas razones. [22] Por ejemplo, una atmósfera más cálida puede contener más vapor de agua, lo que tiene efectos sobre la evaporación y la lluvia .
La causa subyacente de la intensificación del ciclo del agua es el aumento de la cantidad de gases de efecto invernadero, que provocan una atmósfera más cálida debido al efecto invernadero . [22] La física dicta que la presión de vapor de saturación aumenta un 7% cuando la temperatura aumenta 1 °C (como se describe en la ecuación de Clausius-Clapeyron ). [23]
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. [24] La esencia del ciclo hidrológico general es la evaporación de la humedad en un lugar y la precipitación en otros lugares. En particular, la evaporación excede la precipitación sobre los océanos, lo que permite que la atmósfera transporte la humedad desde los océanos a la tierra, donde la precipitación excede la evapotranspiración, y la escorrentía fluye hacia arroyos y ríos y se descarga en el océano, completando el ciclo. [24] 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 desempeñan un papel principal en el movimiento del calor hacia arriba. [24]
Las actividades humanas, distintas de aquellas que provocan el calentamiento global debido a las emisiones de gases de efecto invernadero , también pueden alterar el ciclo del agua. El Sexto Informe de Evaluación del IPCC afirmó que existe "abundante evidencia de que los cambios en el uso y la cobertura del suelo alteran el ciclo del agua a nivel mundial, regional y local, al cambiar la precipitación, la evaporación, las inundaciones, las aguas subterráneas y la disponibilidad de agua dulce para una variedad de usos". ". [25] : 1153
Ejemplos de tales cambios en el uso de la tierra son la conversión de campos en áreas 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 de temperatura regionales que pueden afectar los patrones de lluvia. [25] : 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 al estar en contacto con la atmósfera. [25] : 1153
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. [26] La escorrentía es responsable de casi todo el transporte de sedimentos erosionados y fósforo desde la tierra a las masas de agua . [27] 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, que se aplica en exceso a los campos agrícolas en forma de fertilizantes y luego se transporta por tierra y río abajo. Tanto la escorrentía como el flujo de agua subterránea desempeñan un papel importante en el transporte de nitrógeno desde la tierra a los cuerpos de agua. [28] La zona muerta en la desembocadura del río Mississippi es una consecuencia de los nitratos de los fertilizantes que son arrastrados desde los campos agrícolas y canalizados por el sistema fluvial hasta el Golfo de México . La escorrentía también desempeña un papel en el ciclo del carbono , nuevamente a través del transporte de roca y suelo erosionados. [29]
El viento hidrodinámico dentro de la parte superior de la atmósfera de un planeta permite que elementos químicos ligeros como el hidrógeno se muevan hasta la exobase , el límite inferior de la exosfera , donde los gases pueden alcanzar una velocidad de escape , ingresando al espacio exterior sin impactar otras partículas de gas. . Este tipo de pérdida de gas de un planeta al espacio se conoce como viento planetario . [30] Los planetas con atmósferas inferiores calientes podrían dar lugar a atmósferas superiores húmedas que aceleran la pérdida de hidrógeno. [31]
En la antigüedad, se pensaba ampliamente que la masa terrestre flotaba sobre una masa de agua y que la mayor parte del agua de los ríos tiene su origen bajo tierra. Se pueden encontrar ejemplos de esta creencia en las obras de Homero ( c. 800 a. C. ).
En el antiguo Cercano Oriente , los eruditos hebreos observaron que aunque los ríos desembocaban en el mar, el mar nunca se llenaba. Algunos eruditos concluyen que el ciclo del agua fue descrito completamente durante este tiempo en este pasaje: "El viento va hacia el sur, y gira hacia el norte; gira continuamente, y el viento vuelve según sus circuitos. Todos los ríos corren hacia el mar, y el mar no se llena; al lugar de donde vienen los ríos, allí vuelven” (Eclesiastés 1:6-7). [32] Los eruditos no están de acuerdo en cuanto a la fecha de Eclesiastés, aunque la mayoría de los eruditos señalan una fecha durante la época del rey Salomón , hijo de David y Betsabé, "hace tres mil años, [32] hay cierto acuerdo en que el El período de tiempo es 962-922 aC. [33] Además, también se observó que cuando las nubes estaban llenas, derramaban lluvia sobre la tierra (Eclesiastés 11:3). Además, durante 793-740 aC un profeta hebreo, Amós , afirmó que el agua proviene del mar y se derrama sobre la tierra (Amós 5:8). [34]
En el Libro bíblico de Job , fechado entre los siglos VII y II a. C., [33] hay una descripción de la precipitación en el ciclo hidrológico, [32] "Porque él hace pequeñas las gotas de agua: hacen caer lluvia según el vapor de ella; que las nubes dejan caer y destilan sobre el hombre en abundancia" (Job 36:27-28).
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. Aproximadamente en el año 500 a. C., los eruditos griegos especulaban que gran parte del agua de los ríos puede atribuirse a la lluvia. Por aquel entonces también se conocía el origen de la lluvia. Sin embargo, estos eruditos mantuvieron la creencia de que el agua que ascendía a través de la tierra contribuía en gran medida a la formación de los ríos. Ejemplos de este pensamiento incluyeron a Anaximandro (570 a. C.) (quien también especuló sobre la evolución de los animales terrestres a partir de los peces [35] ) y Jenófanes de Colofón (530 a. C.). [36] Los eruditos chinos del período de los Estados Combatientes como Chi Ni Tzu (320 a. C.) y Lu Shih Ch'un Ch'iu (239 a. C.) tenían pensamientos similares. [37]
La idea de que el ciclo del agua es un ciclo cerrado se puede encontrar en las obras de Anaxágoras de Clazomenae (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 [el sol], el agua más fina y dulce es transportada todos los días, se disuelve en vapor y se eleva a las regiones superiores, donde el frío la vuelve a condensar y así regresa a la tierra", y creía que las nubes estaban compuestas de vapor de agua enfriado y condensado. [38] [39] 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 sus contemporáneos lo descartaron. [40]
Hasta la época del Renacimiento, se suponía erróneamente que las precipitaciones por sí solas eran insuficientes para alimentar los ríos, para un ciclo completo del agua, y que el agua subterránea que empujaba hacia arriba desde los océanos era la principal fuente de agua de los ríos. Bartolomé de Inglaterra sostuvo esta opinión (1240 d. C.), al igual que Leonardo da Vinci (1500 d. C.) y Atanasio Kircher (1644 d. C.).
El primer pensador publicado que afirmó que la lluvia por sí sola era suficiente para el mantenimiento de los ríos fue Bernard Palissy (1580 d. C.), a quien a menudo se le atribuye el mérito de ser el descubridor de la teoría moderna del ciclo del agua. Las teorías de Palissy no fueron probadas científicamente hasta 1674, en un estudio comúnmente atribuido a Pierre Perrault . Incluso entonces, estas creencias no fueron aceptadas en la ciencia convencional hasta principios del siglo XIX. [41]
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