Propiedades Físico-químicas del Agua de Mar - Circulación General

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
ρ h
z
p z = ρ g h ρ = ∫ ρ dz
ρ = ρ (p)
[p] = [kg/m 3 ] [m/s 2 ] [m] = kg/m s 2 = Pascal
si ρ = 1025 kg/m 3 y h = 100 m
p = 100.45 x 10 4 Pa
10 4 Pa = 1 decibar
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 2

Temperatura potencial Atlántico Sur (30W)
http://iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.LEVITUS94/.ANNUAL/
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H H
O
La molécula de agua y sales en solución
agua
+ +
-
agua de mar
Cl - Na + -
-
NaCl
-
- - +
-
-
-
Punto de fusión 1074 K (801 °C)
Punto de ebullición 1738 K (1465 °C)
Densidad 2,2 ×10 3 kg/m 3
Solubilidad 35,9 g en 100g de agua
Excelente aislante eléctrico
-
Buen conductor eléctrico
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 m 3 (aprox. 1026 Kg) de agua de mar
NaCl 28.014 Kg
MgCl 2 3.812
MgSO 4 1.752
CaSO 4 1.283
K 2 SO 4 0.816
CaCO 3 0.122
Kbr 0.101
SrSO 4 0.028
H 2 BO 3 0.028
Total 35.956
Principal composición del agua de mar
35ppm
Cationes g/Kg mEq/Kg
Sodio 10.752 467.56
Potasio 0.39 9.98
Magnesio 1.295 106.50
Calcio 0.416 20.76
Sr 0.013 0.3
Total 605.1
Aniones
Cloro 19.345 545.59
Bromo 0.066 0.83
Fluor 0.0013 0.07
Sulfato 2.701 56.23
Bicarbonato 0.145 2.3
Total 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
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Conductividad eléctrica
Conductividad (mmhos/cm)
5
4
3
2
20°C
10°C
-2°C
28 30 32 34 36
Salinidad
La resistencia eléctrica de un
conductor de longitud l y sección q:
R = r l/q [ohm]
donde r es la resistencia específica.
La inversa de r es la conductividad que
se mide en (ohms/cm)-1
.
En oceanografía suele medirse la
conductividad en mmho / cm = mS / cm.
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
Q = ρ C p T
∆Q = ρ C p ∆T
Temperatura de
congelamiento y de
máxima densidad
Calor específico (J/KgºC) (Joules/Kg)
4000 4100 4200
0°C
20°C
0 10 20 30 40
Salinidad
Variaciones del Calor Específico
del agua de mar a presión constante,
en función de la temperatura (°C)
y la salinidad.
Temperatura (°C)
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
Tρmax
Tc
24.695
0 5 10 15 20 25 30 35
Salinidad
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/m 3 ]
sigma -T = (ρ 0,T,S - 1000) [Kg/m 3 ]
ρ = 1027 kg/m 3 sigma -T = 27 kg/m 3
30
T = 0°C
30
Sigma - T
25
20
15
T =20°C
Sigma - T
25
20
15
S = 35
10
10
S = 20
5
5
10 20 30 40
Salinidad
0 5 10 15 20 25
Temperatura (°C)
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 9

Densidad del agua de mar
Salinity
Temperature (ºC)
κ
Surface α β
~ 4000 m
Surface
~ 4000 m
Changes of compressibility (κ, 10 -4 kg/m 3 /dbar), thermal expansion (α, 10 -4 kg/m 3 /ºC) and haline
contraction (β, 10 -4 kg/m 3 /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/m 3 , σ = 26 kg/m 3 ).
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
Porqué las aguas del
Mediterráneo se
hunden a sólo 1000
m de profundidad?
% de saturación de O 2
y salinidad a través
del Atlántico a 35ºN
Depth (m) Depth (m)
APAN
% saturación de O 2
APAN
Salinidad
Med
Med
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 16

Temperatura (ºC)
Temperatura (ºC)
B
Salinidad
B (NS)
A (Med)
A
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,
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.
Adaptado de Talley et al., 2011, Descriptive Physical Oceanography, 6th Edition, Academic Press / Elsevier
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 17
Temperatura (ºC)
κ
Salinidad
B
5
10
A

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.
S P (Salinidad Práctica)
S R (Salinidad de Referencia)
Lo que medimos con un salinómetro y se usaba hasta
ahora para el cálculo de las variables derivadas, como
la densidad
Fracción de masa de soluto en Agua Estándar
S A (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
Profundidad (m)
-4000 -3000 -2000 -1000 0
S
24.5 25 25.5 26 26.5 27 27.5 28
34 34.5 35 35.5 36 36.5 37
0 5 10 15 20 25
Temperatura Potencial (°C)
30
25
20
15
10
5
0
líneas de σ
constante
-990
-743
-496
-1484 -1976
-2957
-3934
-397
22
22
-298
-199
-149
23
-2
-50
-99
23
24
24
25
25
26
26
27
27
28
28
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 Sales Ríos-
35ppm cíclicas s.c.
Iones Positivos (cationes)
Sodio Na +
0.27 468 0.19 0.08
Potasio K +
0.06 10 0.00 0.06
Magnesio Mg ++ 0.34 107 0.04 0.30
Calcio Ca ++ 0.75 20 0.01 0.74
Total Cationes 1.42 605 0.24 1.18
Iones negativos (aniones)
Cloro Cl -
0.22 546.5 0.22 0.00
-
Bicarbonato HCO 3 0.96 2.3 0.00 0.96
--
Sulfato SO 4 0.24 56.2 0.02 0.22
Total Aniones 1.42 605.0 0.24 1.18
Circulación General II – 4. Propiedades físico-químicas 24

Tiempos de residencia
los principales constituyentes del agua de mar
Constituyente Tasa agua mar/ Tiempo de residencia
agua río - s.c. 10 6 años
Agua 0.965 0.044
Sales totales 500.0 22.0
-
HCO 3 2.4 0.11
Ca ++ 27.0 1.2
K + 170.0 7.5
--
SO 4 250.0 11.0
Na + 5900.0 260.0
Cl - infinito 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 14 C
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