Durant molts anys la Universitat Flinders del Sud d'Austràlia ha ofert un curs de primer en Ciències de la Terra impartit en dues parts. El primer semestre anomenat, Ciències de Terra 1 A, cobria el lloc de la Terra a l'Univers, aspectes de geologia, i una introducció a la geofísica i a la hidrologia. La meteorologia i l'oceanografia s'impartien en el segon semestre anomenat Ciències de Terra 1B.
Des de l'any 2000 el primer semestre continua centrat en els mateixos temes a Ciències de Terra 1, mantenint els mateixos continguts, mentre el segon semestre s'ha convertit en Ciències Marines 1. Ciències Marines 1 encara conté material extens sobre meteorologia i oceanografia física però també inclou una introducció elemental a aspectes de biologia marina.
Aquestes notes representen els continguts corresponents a l'oceanografia física. A més a més, dos seminaris introductoris posen els aspectes atmosfèrics i oceanogràfics en el context de les ciències exactes; són una versió abreujada de les primeres dues conferències donades al començament del semestre.
La meteorologia i l'oceanografia són ciències físiques que tenen per objecte comprendre els processos en el mediambient i descriure, analitzar i predir-los de forma quantitativa.
Una manera habitual d'expressar quantitativament els processos és a través del conceptes dels cicles i balanços.
A escales de temps geològic, tots els processos de la Terra es basen en un reservori constant de materials.
Les formes en les quals els materials són presents canvien constantment. En un estat d'equilibri aquest canvi ha de ser cíclic.
Aquesta lliçó discuteix 4 exemples.
La Terra és l'únic planeta del sistema solar on l'aigua líquida es troba a la seva superfície. L'aigua és l'única substància que, en virtut dels rangs de pressió i temperatura experimentats a la Terra, està present en fase sòlida, líquida i gasosa. Per tant, el cicle de l'aigua és d'una importància fonamental per a molts dels processos exclusius de la Terra. En comparació, la resta dels planetes més externs del nostre sistema solar (Saturn, Júpiter, Urà, Neptú i Plutó) i les seves llunes són massa fredes per contenir aigua en qualsevol forma diferent del gel, els planetes interiors (Mercuri i Venus) són massa calents per tenir aigua, en qualsevol forma diferent del vapor d'aigua, i Mart és massa fred, però actualment pot haver tingut aigua líquida a la seva superfície, en algun moment de la seva història. En l'actual fase de desenvolupament del sistema solar la Terra és l'únic planeta que conté aigua en totes les seves fases.
Figura 1
Igual que molts altres cicles, el cicle de l'aigua (fig. 1) enllaça processos que actuen en el món viu i inert: la precipitació i l'evaporació oceànica enllaça l'oceà amb l'atmosfera; l'evaporació del terra i la transpiració de la vegetació enllaça l'atmosfera amb la biosfera.
En el context de la meteorologia i l'oceanografia l'efecte de la biosfera s'expressa quantitativament com un únic procés, l'evapo-transpiració. El cicle de l'aigua descriu llavors un component bàsic del sistema combinat oceà-atmosfera.
Cada cicle té associat un balanç. Els cicles representen una descripció qualitativa dels processos, els balanços els consideran en termes quantitatius. Distingim entre balanços estètics, que resumeixen quina quantitat d'un determinat material està disponible i com es distribueix entre els diferents compartiments, els balanços dinàmics, que quantifiquen la rapidesa amb la qual el material es desplaça entre els compartiments. El cicle defineix el procés; els balanços donen respostes a preguntes com ara bé: "Com es veu afectat el cicle de l'aigua si un determinat percentatge de les garrigues a l'Austràlia Occidental, s'elimina i se substitueix per una producció del blat ?"
Distribució de l'aigua a la Terra (balanç estètic); aquest balanç mostra on es troba l'aigua:
| Regió | Volum (103 km3) | % del total |
|---|---|---|
| oceans | 1,350,000 | 94.12 |
| aigua subterània | 60,000 | 4.18 |
| gel | 24,000 | 1.67 |
| llacs | 230 | 0.016 |
| humitat del terra | 82 | 0.006 |
| atmosfera | 14 | 0.001 |
| rius | 1 | - |
| Basat en M. J. Lvovich: World water balance;in: Symposium on world water balance, UNESCO/IASH publication 93, Paris 1971. | ||
El balanç estàtic demostra la importància de les capes de gel per al cicle global de l'aigua: Qualsevol canvi en les condicions atmosfèriques i oceàniques que alliberi una part significativa de l'aigua que es troba actualment emmagatzemat en el gel, produirà un canvi important en el cicle de l'aigua. L'atmosfera, en comparació, sembla insignificant. Tanmateix, l'important paper de l'atmosfera es torna clar quan es considera el balanç dinàmic.
Branques del cicle de l'aigua a la Terra (balanc dinàmic); aquest balanç mostra com l'aigua es mou entre l'atmosfera i la hidrosfera:
| Procés | Quantitat (m3 per any) |
|---|---|
| precipitació a l'oceà | 3.24 x 1014 |
| evaporació des de l'oceà | -3.60 . 1014 |
| precipitació al sòl | 0.98 . 1014 |
| evaporació des del sòl | -0.62 . 1014 |
| guany net al sòl = escolament pels rius | 0.36 . 1014 |
El balanç del flux mostra que la majoria dels intercanvis d'aigua entre els compartiments es produeix entre l'oceà i l'atmosfera, per la qual cosa l'atmosfera és un element extremadament dinàmic en el sistema malgrat el seu petit contingut d'aigua en qualsevol moment. El volum d'aigua transferit entre l'oceà i l'atmosfera en unes poques dècades és equivalent a la quantitat total d'aigua emmagatzemada en les capes de gel.
El cicle de sal involucra l'oceà, la geosfera i en petita mesura l'atmosfera.
Els minerals són lixiviats de les roques a través de les aigues subterrànies i l'erosió de la superfície. Es transporten pels rius i arriben a l'oceà, on s'acumulen, fent salada l'aigua de mar. S'eliminen de l'aigua i entren en el sediment per acció química.
El sediment forma noves roques que aporten els minerals de nou a la geosfera.
La sal entra a l'atmosfera en forma d'aerosol a partir de les ones generades pel vent. Llavors pot ser transportada a terra constituint una via mínima de transport de mar a terra en el cicle global de la sal.
Degut a que el cicle de la sal funciona amb escales de temps molt grans, l'establiment del balanç del flux de sal no és una tasca rellevant per l'oceanografia.
El cicle de la sal funciona amb escales de temps tant grans que el balanç del flux de sal no és una tasca rellevant per l'oceanografia. La taula següent dona una idea de les escales de temps involucrades:
| Element | Abundància cortical (%) | Temps de residència (anys) |
|---|---|---|
| Alguns dels components més abundants de la sal de mar: | ||
| sodi (Na) | 2.4 | 60,000,000 |
| clor (Cl) | 0.013 | 80,000,000 |
| magnesi (Mg) | 2.3 | 10,000,000 |
| Alguns elements traça de la sal de mar: | ||
| plom (Pb) | 0.001 | 400 |
| ferro (Fe) | 2.4 | 100 |
| alumini (Al) | 6.0 | 100 |
El concepte de la salinitat es tracta en la Lliçó 3.
Figura 2
Els nutrients són essencials per a la vida vegetal i animal. Estan inmersos en un cicle terrestre i oceànic (fig. 2).
A terra els nutrients són extrets del sòl per les plantes i tornen al sòl per descomposició de la matèria orgànica morta. Aquest és un cicle tancat en una escala de temps relativament curta, determinada pel procés de descomposicó i el temps de vida útil de les plantes, els animals i els éssers humans. En les societats humanes desenvolupades nomós és trenca per l'absorció de nutrients de les poblacions de les grans ciutats, que no retornen els nutrients al sòl, sinó que els depositen en els sistemes de clavegueram. La consegüent pèrdua dels nutrients en l'agricultura es veu compensada per la importació de fertilitzants minerals del reservori de minerals de la geosfera.
Aquesta influència humana introdueix un enllaç amb un cicle de nutrients d'una escala de temps molt més llarga, determinada per la formació dels dipòsits minerals. La situació és similar a la situació discutida amb el cicle del carboni més avall, però no té les mateixes inmediates conseqüències; l'augment dels nutrients disponibles per al ràpid cicle de nutrients en els quals els processos de la vida i l'agricultura en depenen és molt gradual, i la major part de l'entrada de mineral és eliminada del cicle ràpid de nutrients a través de la component oceànica.
Al mar l'absorció de nutrients per les plantes es produeix en la capa superficial assolida per la llum del sol on té lloc la fotosíntesi. La majoria dels nutrients s'eliminen de la zona eufòtica i són transferits com un embornal d'organismes morts al fons de l'oceà, on abandonen el cicle ràpid dels nutrients. En les capes més profundes la matèria orgànica és remineralitzada, és a dir, els nutrients són retornats a la solució. Així, l'oceà no pot sostenir els ecosistemes altament productius, excepte quan els nutrients són retornats a la zona eufòtica des d'avall en les anomenades regions d'aflorament. El cicle de nutrients s'examina amb més detall a la lliço 5, l'aflorament en la 6.
Figura 3
El cicle del carboni (fig. 3) opera naturalment en dues escales de temps molt diferents. N'estan involucrats els oceans, l'atmosfera, la geosfera i la biosfera.
En l'escala de temps geològic el carboni s'allibera a l'atmosfera i l'oceà a través de la meteorització de les roques carbonatades, com les calcàries. Torna a aquest vast dipòsit d'emmagatzematge a mesura que noves roques es formen per la deposició dels sediments.
En una escala molt més curta l'escala temporal climàtica, el carboni s'intercanvia entre l'atmosfera, l'oceà i els organismes vius i morts.
El cicle del carboni inclou ambdues escales de temps, però a efectes pràctics en el balanç de carboni i del flux de carboni en general s'exclou l'escala de temps geològica.
Aquesta separació entre les escales de temps, ha estat pertorbada significativamente a través de la crema de combustibles fòssils. Això afegeix diòxid de carboni a l'atmosfera i augmenta la seva capacitat per retenir l'energia calorífica rebuda del sol (efecte hivernacle).
En els quadres següents es donen algunes de les actuals estimacions del balanç de carboni i del balanç del flux de carboni.
| Regió | quantitat (Gt carboni; 1 Gt = 1015 g) | |
|---|---|---|
| abans del canvi antropogènic | després del canvi antropogènic | |
| plantes en el sòl | 610 | 550 |
| sòl i humus | 1,500 | cap cavi |
| atmosfera | 600 | 750 (+3.4 per any) |
| oceà superficial | 1,000 | 1,020 (+0.4 per any) |
| vida marina | 3 | cap canvi |
| Carboni orgànic dissolt | 700 | cap canvi |
| a mitja i gran fondària | 38,000 | 38,100 (+1.6 per any) |
| des de | cap a | quantitat (Gt carboni per any; 1 Gt = 1015 g) | |
| natural | antropogènic | ||
| atmosfera | plantes terrestres | 100 (a) | |
| oceà | 74 (d) | 18 | |
| plantes terrestres | atmosfera | 50 (a) | |
| sòl i humus | 50 (a) | ||
| sòl i humus | atmosfera | 50 (a) | |
| desforestació | atmosfera | al voltant 1.9 | |
| combustible fòssil | atmosfera | al voltant 5.4 | |
| enfonçament a l'oceà | oceà superficial | 0.4 | |
| mitja fondària i oceà profund | 1.6 | ||
| rius | oceà | 0.8 | |
| oceà superficial | atmosfera | 74 (d) | 16 |
| vida marina | al voltant de 40 (b) | ||
| mitja fondària i oceà profund | 90 (c) | 5.6 | |
| vida marina | oceà superficial | al voltant de 30 (b) | |
| mitja fondària i oceà profund | 4 (b) | ||
| carboni orgànic dissolt | 6 (b) | ||
| carboni orgànic dissolt | mitja fondària i oceà profund | 6 (c) | |
| mitja fondària i oceà profund | oceà superficial | 100 (c) | |
| sediment | 0.13 | ||
La definició de diversos cicles, com el cicle de l'aigua, el cicle de la sal, el cicle dels nutrients i el cicle del carboni, és una manera útil de descriure l'equilibri que resulta del balanç de forces.
Els balanços i els balanços de flux permeten establir el concepte de cicles en declaracions quantitatives.