Aula sobre hidrologia. A Hidrologia (do grego Yδωρ, hydor, "água"; e λόγος, logos, "estudo") é a ciência que estuda a ocorrência, distribuição e movimentação da água no planeta Terra. A definição atual deve ser ampliada para incluir aspectos de qualidade da água, ecologia, poluição e descontaminação.

1. O planeta azul
A HIDROSFERA
IGcUSP
Sonia MB Oliveira

2. Sistema exógeno
• No sistema solar, só Mercúrio não tem atmosfera. Mas
só a Terra tem um sistema integrado de
litosfera/hidrosfera/atmosfera/biosfera.
• A massa das chamadas “esferas externas” é pouco
importante em relação à massa da Terra.
• Atmosfera - 0,00009 %
• Hidrosfera - 0,024 %
• Biosfera ou ecosfera - 0,0000003 %
• H : A : B : : 69100 : 300 : 1

3. Massa da hidrosfera: 1,37 1021 kg = 1,37 109 Gton

4. A Hidrosfera
• Distribuição e ciclo da água
• Composição das águas
• Evolução da composição dos oceanos
• Bibliografia:
Mackenzie cap. 3
Misra cap.13
How to build cap. 12: Terra sólida, oceano líquido e
atmosfera gasosa

5. A Hidrosfera
71 % da superfície da Terra
60% no HN e 80 % no HS

6. Oceanos (97% da água da Terra)

8. Criosfera: geleiras continentais e gelo marinho
2 % da água da Terra

9. Geleiras continentais: Antártica e
Groenlândia
Antártica 25,6 106 km3
Groenlândia 2,96 106 km3

10. Extensão máxima e mínima do gelo marinho no
HN e HS
• HN março: 15,2 106 km2
• HN set: 5,4 106 km2
• HS março: 2,9 106 km2
• HN set: 19,1 106 km2
US Nat. Snow Ice Data Center

11. Águas doces

12. Superfície ocupada pela água
• Terra toda: 510 milhões km2
• Oceanos: 364 milhões km2 (71,4 %)

13. O total é mais ou menos
constante na hidrosfera,
mas a quantidade muda
em cada reservatório, ao
longo do tempo geológico.
O ciclo da água

14. O ciclo hidrológico
(fluxo expresso em 103 km3/ano)

15. Tempos de residência da água
• Oceanos: 39 000 anos
• Geleiras: 10 a 1 000 anos
• Água subterrânea: 14 dias a 10 000 anos
• Lagos e rios: 2 semanas a 10 anos
• Solos: 2 semanas a um ano
• Biosfera: 1 semana
• Atmosfera: 10 dias

16. Águas doces
• Importantes para o intemperismo, erosão e vida
humana.
• Salinidade média 120 ppm
• Composição
58,5 ppm HCO3
- 11,2 ppm SO4
2- 7,8 ppm Cl-
15 ppm Ca2+ 13,1 ppm SiO2 6,3 ppm Na+ 4,1ppm Mg2+

17. A composição da água
dos rios varia de 33 mg/L
(Congo) a 881 mg/L (Colorado).
A média é de 120 mg/L.

18. No litoral, as águas
da chuva são mais
ricas em NaCl.

19. Oceanos
• Profundidade média = 3,8
km (max. 11 km).
• Composição
razoavelmente constante.
• Salinidade 35 a 41 per
mil.
• Gases dissolvidos: O2, N2
e CO2

21. Temperaturas nos oceanos

22. Concentração de Íons Maiores na Água do Mar
Íon
Cl
-
SO4
-2
HCO3
-
Br
-
F
-
Conc.
(g/kg)
19,107
2,677
0,143
0.066
0.0015
TR
(anos)
108
7,9 x 106
8 x 104
108
5 x 105
Íon
Na
+
Mg
+2
Ca+2
K+
Sr+2
Conc.
(g/kg)
10,624
1,278
0,407
0,394
0.008
TR
(anos)
4,8 x 107
107
1,5 x 105
5,9 x 106
4 x 106

24. O ciclo do sódio
• Problema: Quanto tempo levou o mar para atingir o teor de
Na+ que tem hoje ?
• Na+ (mar) = 10,78 g/kg.
• Massa dos oceanos = 1,4. 1021 kg.
• Na+ (rios) = 6,9 mg/kg.
• Fluxo anual dos rios para o mar = 4,6 * 1016 kg (46000 km3/y).
• Quanto tempo levou para o mar atingir a salinidade atual ?

25. Ciclo do sódio
3.2*1014g/y = (6,9 mg/kg) * (4,6. 1016 kg/y)
15,1*1021g = (10,78 g/kg) * (1,4. 1021 kg)
Entrada do Na nos oceanos/ano = teor de Na+ nos rios * fluxo dos rios para o oceano
Total de Na nos oceanos = teor de Na+ no oceano * massa dos oceanos
Tempo que levou para acumular o Na nos oceanos = Total/Entrada = 4,7 * 107y = 47 Ma.

26. O ciclo do sódio: fontes e sumidouros
Assim foi calculada a idade da
Terra por Joly no século XIX
(47 Ma.).
Está errado porque o sódio não
só entra (intemperismo), mas
também sai dos oceanos: nas
cristas médio-oceânicas, nos
evaporitos, em sprays, na água
conata.

27. Tempo de residência
• TR = Massa total do elemento/ fluxo
• Massa = massa dos oceanos x concentração nos
oceanos
• Fluxo = vazão dos rios x concentração nos rios
• TR Na+ = 47 Ma.
• TR K+ = 8,7 Ma.
• TR Mg++ = 10,7 Ma.
• TR Ca++ = 0,8 Ma.

28. Processos responsáveis pela composição química
da água do mar
• Adição pelos rios
• Extração pela atividade biológica (pp/ Ca e Si)
• Reações nas cristas médio-oceânicas (altas e baixas
temperaturas)
• Precipitação de minerais (calcita e argilas) ou troca iônica
(Ca, Na e traços)
• Transferência por meio de aerossóis (NaCl)
• Formação de evaporitos
• Soterramento de água com NaCl dissolvido nos poros das
rochas

29. Falésias de Dover: giz (calcário formado por
carapaças de nanoplancton) do Ksup

30. O sistema das cristas médio-oceânicas
A maior parte do vulcanismo ocorre nas cristas: 21 km3/y (margens
convergentes 2-3 km3/y; intra-placa 2-3 km3/y).

31. O sistema das cristas médio-oceânicas
Circulação hidrotermal nas fendas: magma a 1200oC, água
do mar a 0oC, fumarolas negras a 400oC.

33. O sistema das cristas médio-oceânicas
• Basalto (olivina, piroxênio, plagioclásio)
altera-se para xisto verde ou anfibolito
(clorita, anfibólio, epidoto).
• O fluido hidrotermal é ácido e redutor. A
água do mar é alcalina e oxidante. A
água do mar perde Mg, Na, e dissolve Fe,
Mn, Cu, Zn, Pb das rochas.
• As formas de vida em torno das fendas
são bactérias S-oxidantes, que vivem em
ambiente de temperatura de até 120oC.

35. Na+, Mg2+, SO4
2- vão da água para a rocha; Ca2+ vai da rocha para a água.
Em épocas de maior geração de crosta oceânica, os oceanos ficam
empobrecidos em Na e Mg e enriquecidos em Ca.

36. Fluxo hidrotermal em cristas
de espalhamento lento (4 cm/y)
e de espalhamento rápido (>10 cm/y).
Cada fenda é pequena, mas todo o sistema
recicla o oceano em dezenas de milhões de
anos (os rios em 30-40 mil anos) Ver tabela.
A razão 87Sr/86Sr na crosta continental
é > 0,712. Na água do mar é de 0,709.
No fluido hidrotermal é de 0,703.

37. A água do mar é relativamente
empobrecida em Ca e Si.
A massa dos oceanos
é de 1,4. 1021 kg.

38. Extensão da distribuição do fluido hidrotermal,
mapeado pelo 3He
Todo 3He é derivado da nucleossíntese (não é produto da desintegração radioativa).
Não ocorre nos oceano pq escapa facilmente do topo da atmosfera. Assim todo He existente vem dos fluidos.

39. Influência da biosfera na alteração da crosta
oceânica basáltica
• É difícil provar que a atividade microbiana na alteração da crosta
oceânica, embora se saiba que os microorganismos tem um
papel na oxidação do Fe e do S.
Nature, 453:653, 2008

40. Influência da biosfera na alteração da crosta
oceânica basáltica
• Nos níveis mais inferiores da crosta oceânica pode haver
redução causada por bactérias.
• H2 é produzido durante a serpentinização e as bactérias podem
usá-lo como agente redutor para reduzir o sulfato.
• Evidência isotópica: δ34S e δ13C (metanogênese).
• Mais recentemente foi feito sequenciamento dos genes dos
microorganismos que reciclam o metano e o enxofre em crosta
basáltica de 3,5 Ma.

41. Fig. 2 Macro- and microscale distribution of S-isotopic data.
M A Lever et al. Science 2013;339:1305-1308
Published by AAAS
mbsf:meters below sea floor

42. O transporte dos elementos para a zona de
subducção
Material subductado
Sedimentos+
anfibolito+
CaCO3+
serpentinito
Fe3+, voláteis, U, Rb, Ba, K,
B, Pb, Cu, Zn, CaCO3,
provenientes da
erosão continental,
acumulação biogênica,
deposição de partículas das
fendas hidrotermais

44. Processos que afetam a concentração dos principais
componentes da água do mar
• Aporte dos rios.
• Processo biológicos, tais como, a síntese de carapaças carbonáticas ou
silicosas. São principalmente esses processos que controlam a
concentração do Ca, Si, P, N, S, C.
• Interação da água do mar com os fluidos vulcânicos do assoalho
oceânico, tanto a altas temperaturas (200-400 oC), ao longo das cristas
médio oceânicas, como a temperaturas mais baixas.
• Reação da água do mar com minerais de argila transportados dos
continentes, por troca iônica. É chamada de “intemperismo reverso”.
• Transferência do oceano para o continente, via atmosfera, de sais
cíclicos (sprays marinhos).
• Precipitação de evaporitos e de sulfetos. É um importante mecanismo
de remoção de Na, Ca, K, Cl e SO4
2- da água do mar.
• Soterramento da água do mar nos poros das rochas.
• Adsorção de P nos óxidos férricos.

45. Processos que afetam a concentração dos principais
componentes da água do mar
Input Output
• Na+ rios spray, evaporitos, poros, vulcânico
• Cl- rios spray, evaporitos, poros
• SO4
2- rios spray, evaporitos, pirita
• Mg2+ rios vulcânico, calcários, spray
• K+ rios, vulcânico (T alta) vulcânico (T bx), argila, spray
• Ca2+ rios, vulcânico calcários, evaporitos
• HCO3
2- rios calcários
• SiO2 rios, vulcânico sílica biogênica
• P rios fosforito, adsorção, soterramento
• N fixação de N2, rios denitrificação, soterramento