Densidad del agua de mar

Densidad del agua de mar
ρ = ρ (p, T, S)
Compresibilidad
κ Δp = -ΔV/V
κ = κ (p, T, S)
Expansión térmica
α ΔΤ = ΔV/V
α = α (p, T, S)
Contracción halina
β ΔS = -ΔV/V
β = β (p, T, S)
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 1
Presión hidrostática
pz = ρ g h
ρ
ρ = ∫ ρ dz
h
ρ = ρ (p)
z
[p] = [kg/m3] [m/s2] [m] = kg/m s2 = Pascal
si ρ = 1025 kg/m3 y h = 100 m
p = 100.45 x 104 Pa
104 Pa = 1 decibar
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 2
Temperatura potencial Atlántico Sur (30W)
http://iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.LEVITUS94/.ANNUAL/
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 3
La molécula de agua y sales en solución
agua
H
H
+
O
+
-
Cl -
-
Na+
NaCl
Punto de fusión
agua de mar
1074 K (801 °C)
Punto de ebullición 1738 K (1465 °C)
Densidad
2,2
Solubilidad
35,9 g en 100g de agua
Excelente aislante
eléctrico
×103
+
- - Buen conductor eléctrico
kg/m3
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 4
Salinidad
La salinidad se define como la masa de sales disueltas (en gramos) por
kg de agua de mar. La salinidad es adimensional, aunque habitualmente
nos referimos a Unidades Prácticas de Salinidad (ups)
Masa de sales disueltas (gr)
Masa de agua de mar (Kg)
Principales Constituyentes (35 ppm)
por m3 (aprox. 1026 Kg) de agua de mar
NaCl
MgCl2
MgSO4
CaSO4
K2SO4
CaCO3
Kbr
SrSO4
H2 BO3
Total
28.014 Kg
3.812
1.752
1.283
0.816
0.122
0.101
0.028
0.028
35.956
Principal composición del agua de mar
35ppm
Cationes
Sodio
Potasio
Magnesio
Calcio
Sr
Aniones
Cloro
Bromo
Fluor
Sulfato
Bicarbonato
g/Kg
10.752
0.39
1.295
0.416
0.013
Total
mEq/Kg
467.56
9.98
106.50
20.76
0.3
605.1
19.345
0.066
0.0013
2.701
0.145
Total
545.59
0.83
0.07
56.23
2.3
605.02
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 5
“Constancia” de las proporciones
Las sales disueltas se encuentran en concentraciones relativas
casi constantes en todo el océano
Sales disueltas en las
aguas de mar
(átomos):
55.3 % Cloro
30.8 % Sodio
3.7 % Magnesio
2.6 % Sulfuro
1.2 % Calcio
1.1 % Potasio
Salinidad = 1.80655 x Clorinidad
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 6
Conductividad (mmhos/cm)
Conductividad eléctrica
5
La resistencia eléctrica de un
conductor de longitud l y sección q:
20°C
4
R = r l/q [ohm]
donde r es la resistencia específica.
10°C
3
La inversa de r es la conductividad que
se mide en (ohms/cm)-1 .
-2°C
En oceanografía suele medirse la
conductividad en mmho / cm = mS / cm.
2
28
30
32
34
36
Salinidad
Conocida la temperatura de una muestra de agua de mar, la relación
entre la conductividad y salinidad permite la determinación de esta
última mediante mediciones eléctricas, rápidas y de muy alta precisión.
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 7
Calor específico
Temperatura de
congelamiento y de
máxima densidad
Q = ρ Cp T
4200
0°
C
4100
Temperatura (°C)
20
°C
4000
Calor
específico
(J/KgºC)
Calor
específico
(Joules/Kg)
∆Q = ρ Cp ∆T
Tρ
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
ma
x
Tc
0
5
24.695
10
15
20
25
30
35
Salinidad
0
10
20
30
Salinidad
Variaciones del Calor Específico
del agua de mar a presión constante,
en función de la temperatura (°C)
y la salinidad.
40
Temperatura de máxima densidad Trmáx y temperatura
del punto de congelamiento Tc, en función de la salinidad.
La escala de temperatura en grados centígrados (°C).
A salinidad = 24.695 ambas temperaturas coinciden.
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 8
Densidad del agua de mar
ρ = ρ (p, T, S)
[Kg/m3]
sigma -T = (ρ0,T,S - 1000)
[Kg/m3]
ρ = 1027 kg/m3
30
sigma -T = 27 kg/m3
30
T = 0°C
25
25
S = 35
Sigma - T
Sigma - T
T =20°C
20
15
20
15
S = 20
10
10
5
5
10
20
30
Salinidad
40
0
5
10
15
20
25
Temperatura (°C)
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 9
Densidad del agua de mar
Temperature (ºC)
Salinity
κ
Surface
α
β
Surface
~ 4000 m
~ 4000 m
Changes of compressibility (κ, 10-4 kg/m3/dbar), thermal expansion (α, 10-4 kg/m3/ºC) and haline
contraction (β, 10-4kg/m3/psu) as a function of T and S at the sea surface and at 4000 m.
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 10
Densidad del agua de mar
La no linealidad de la ecuación de estado del agua
de mar produce varios fenómenos de importancia:
1) Los efectos de cambios de salinidad sobre la densidad a bajas
temperaturas son relativamente más importantes que a
temperaturas altas
2) A baja temperatura el agua de mar es más compresible que al
alta temperatura (thermobaricity)
3) La mezcla de dos masas de agua de diferente temperatura y
salinidad pero de la misma densidad es más densa que las
aguas originales (cabbeling)
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 11
Espacio temperatura – salinidad 1
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 12
Espacio temperatura – salinidad 2
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 13
Temperatura vs. salinidad
A
B
No linealidad: Cabelling
La densidad σ en la superficie (0 dbar si despreciamos la p-atmosférica) graficada
en espacio T-S. Noten el cambio de pendiente de las isopicnas. Los puntos A y B
representan dos tipos de agua de igual densidad (ρ = 1026 kg/m3, σ = 26 kg/m3).
El segmento es la mezcla resultante.
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 14
Efectos de la no lienalidad:
Evaporación
El caso del Mediterráneo
El agua cálida y salina que fluye del Mediterráneo hacia
el Atlántico Norte (flecha roja) tiene una densidad
similar a las aguas frías y poco salinas que fluyen desde
los mares del Norte (flecha azul).
Océano
Atlántico
Mediterráneo
Distribución de T a 1000
m de profundidad en el
Atlántico Norte
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 15
Efectos de la no lienalidad:
El caso del Mediterráneo
Med
Depth (m)
Porqué las aguas del
Mediterráneo se
hunden a sólo 1000
m de profundidad?
APAN
% de saturación de O2
y salinidad a través
del Atlántico a 35ºN
Depth (m)
% saturación de O2
Med
APAN
Salinidad
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 16
Temperatura vs. Salinidad
No linealidad
La densidad (σ) en la superficie (0 dbar) (a) y
a 4000 dbar (b) en espacio T-S. Noten el
cambio en las pendientes de σ,
A (Med)
El agua más fría y menos salina es más
compresibles
El par rojo (2) en ambos paneles compara las
aguas cálidas y salinas (A) con las aguas frías
y poco salinas (B). Si estas aguas se
desplazan desde la superficie (a) hasta 4000
dbares (b) las aguas cálidas que eran más
densas pasan a ser menos densas.
B (NS)
Salinidad
A
B
Temperatura (ºC)
Temperatura (ºC)
Temperatura (ºC)
Salinidad
B
5
κ
10
A
Adaptado de Talley et al., 2011, Descriptive Physical Oceanography, 6th Edition, Academic Press / Elsevier
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 17
Nueva Ecuación Termodinámica del agua de Mar
En 2010 varios organismos internacionales (COI, SCOR, IAPSO) adoptaron
conjuntamente un nuevo estándar para el cálculo del las propiedades
termodinámicas del agua de mar. Este nuevo estándar, conocido como
TEOS-10 (por sus siglas en inglés), reemplaza la viejo estándar o Ecuación
de Estado (EOS80) y debe ser la forma de calcular las propiedades
termodinámicas del agua de mar.
El TEOS-10 ha construido la función de Gibbs del agua de mar, a partir de la
cual es posible calcular la densidad, velocidad del sonido, calor específico,
entalpía específica, y entropía específica.
SP (Salinidad Práctica)
Lo que medimos con un salinómetro y se usaba hasta
ahora para el cálculo de las variables derivadas, como
la densidad
SR (Salinidad de Referencia)
Fracción de masa de soluto en Agua Estándar
SA (Salinidad Absoluta)
Fracción de masa de soluto en la muestra,
lo que interesa para el cálculo de la densidad
Los oceanógrafos no entren en pánico visiten http://www.teos-10.org/
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 18
Temperatura superficial
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 19
Salinidad superficial
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 20
Densidad superficial
Circulación General II –4. Propiedades físico-químicas 21
Espacio temperatura – salinidad 3
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 22
Espacio temperatura – salinidad 4
24.5
25
25.5
34.5
0
5
35
26.5
35.5
10
27
36
15
27.5
30
28
36.5
37
20
25
Temperatura Potencial (°C)
-1000
23
24
25
25
-2
-50
26
-99
20
27
-149
-199
28
-298
15
-397
-496
10
-743
5
-990
-1976
-1484
-2957
-3934
0
-4000
Profundidad (m)
-2000
-3000
22
líneas de σ
constante
0
S 34
26
S
33
34
35
36
37
38
Salinidad (ups)
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 23
Origen de las sales disueltas
Composición de agua de río y de agua de mar
concentraciones en mEq/l
Ríos
Mar
35ppm
Sales
cíclicas
Ríoss.c.
Iones Positivos (cationes)
Sodio Na+
Potasio K+
Magnesio Mg++
Calcio Ca++
Total Cationes
0.27
0.06
0.34
0.75
1.42
468
10
107
20
605
0.19
0.00
0.04
0.01
0.24
0.08
0.06
0.30
0.74
1.18
Iones negativos (aniones)
Cloro ClBicarbonato HCO3Sulfato SO4-Total Aniones
0.22
0.96
0.24
1.42
546.5
2.3
56.2
605.0
0.22
0.00
0.02
0.24
0.00
0.96
0.22
1.18
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 24
Tiempos de residencia
los principales constituyentes del agua de mar
Constituyente
Agua
Sales totales
HCO3Ca++
K+
SO4-Na+
Cl-
Tasa agua mar/
agua río - s.c.
0.965
500.0
2.4
27.0
170.0
250.0
5900.0
infinito
Tiempo de residencia
106 años
0.044
22.0
0.11
1.2
7.5
11.0
260.0
infinito
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 25
La concentración de gases nobles
El factor de pérdida es la tasa entre la concentración relativa de un gas noble en
el sol sobre la concentración relativa en meteoritos supuestamente similares a
material del manto.
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 26
Balance geoquímico
Los elementos volátiles en exceso
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 27
Edad del océano profundo
Determinación empleando 14C
Tiempo en años transcurridos desde que una parcela de agua situada actualmente a 3000 m
de profundidad estuvo en contacto con la atmósfera.
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 28