Curso de Oceanografía Química Antonio Cruzado Barcelona, 3 Junio 2001.

Curso de Oceanografía Química

Antonio Cruzado

Barcelona, 3 Junio 2001

Programa

• Introducción a la Oceanografía Descriptiva

• El Agua: Estructura y Propiedades Físico-químicas

• Composición Química del Agua de Mar

• Substancias conservativas vs. no conservativas

• Ciclos Biogeoquímicos Globales en el Océano

• Fertilidad del Agua de Mar

• Contaminación del Agua de Mar

• El Mar Mediterráneo

• Modelos en Oceanografía Química

• Métodos y Técnicas en Oceanografía Química

OPEN UNIVERSITY (1989). Seawater: its composition, properties and behaviour. Pergamon Press. Oxford.

OPEN UNIVERSITY (1989). Ocean Chemistry and Deep Sea Sediments. Pergamon Press. Oxford

CHESTER, R. (1990). Marine Geochemistry. Unwin-Hyman. Londres.

RILEY, J.P., R. CHESTER (1971). Introduction to Marine Chemistry. Academic Press. Londres.

MILLERO, FJ, SOHN, M (1991). Chemical Oceanography. CRC Press, Boca Raton

SVERDRUP, H.U., M.W. JOHNSON, R.H. FLEMING (1942). THE OCEANS: Their Physics, Chemistry and General Biology. Prentice Hall Inc. Englewood Cliffs, N.J.

BIBLIOGRAFIA SUGERIDA

• Los océanos cubren un área superior a los 350 millones de km2 (69 % de la superficie terrestre)

• Contienen, en total, un volumen de agua de unos 1360 millones de km3

• Tienen una profundidad media de unos 3900 m (la elevación media de la tierra es de tan sólo unos 840 m)

• Si tanto la mar como la tierra estuviesen repartidas de forma homogénea en toda la superficie terrestre, quedaría ésta bajo una capa de agua de unos 2400 m.

El Océano un ecosistema de dimensiones

planetarias (I)

Antonio Cruzado:

Marine Biogeochemistry

Antonio Cruzado:


Relief map of the Earth’s solid surface


planetarias (II)• Los océanos constituyen el mayor reservorio de agua existente en el planeta

• El volumen total del agua contenida en lagos (dulces y salados), ríos, glaciares y casquetes polares así como en el suelo y subsuelo es tan sólo de unos 38 millones de km3 (2.8 % del volumen oceánico)

• Si toda el agua actualmente sobre la Tierra encontrara su camino hasta los océanos, se produciría un ascenso del nivel medio de unos 75 m


planetarias (III)• La mayor parte de los elementos químicos se encuentran en el agua de mar en forma disuelta o como constituyentes de partículas

• El rango de concentraciones de los diversos elementos va desde los 20000 mg/dm3 para el cloro hasta los 0.6 mg/km3 para el Radón, es decir, una relación de 1016

• Entre medio se encuentran la gran mayoría de elementos conocidos que muestran concentraciones claramente por debajo de lo que permitiría una explotación rentable

• Aun así, la explotación de la sal en lagunas costeras y otros esteros es el método tradicional todavía en uso


planetarias (IV)• En conjunto, los océanos contienen 25700 billones de toneladas métricas de cloro y 14200 billones de tm de sodio, los elementos más abundantes y que constituyen mayoritariamente la sal marina

• Esta sal marina muestra una concentración media de unos 35,5 g/l aunque se encuentra repartida de forma no uniforme en las distintas partes de los océanos y mares

• Así mientras en partes del mar Mediterráneo la salinidad supera los 38,5 g/l, en partes del mar Báltico apenas alcanza los 5 g/l

• Estas sales fueron producidas por las emanaciones gaseosas (ácidas) sobre las rocas primigenias de origen magmático.

• En la actualidad, una parte de las sales oceánicas son recicladas, en forma de aerosol marino, transportadas vía la atmósfera, se depositan sobre la tierra regresando al océano por la via fluvial


planetarias (V)• Los elementos que componen el aire (nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, etc.) se encuentran en el océano en cantidades muy superiores a las que contiene la propia atmósfera

• En la superficie del océano estos gases están prácticamente en equilibrio físico-químico con la atmósfera

• Debido a los procesos biogeoquímicos, estos elementos tienen concentraciones en las aguas profundas muy superiores a las de equilibrio

• El océano puede afectar de forma significativa la composición de la atmósfera con la consiguiente regulación energética de todo el planeta (efecto invernadero, etc.)

Antonio Cruzado:


Antonio Cruzado:

Marine BiogeochemistryT/S for the various ocean basins


planetarias (VI)• La estructura molecular del agua, formada por 2 partes de hidrógeno y 16 de oxígeno, le confiere unas características muy particulares en relación con su densidad y a la formación de hielo

• La capacidad de disolver los diversos elementos y substancias que tiene el agua es de las mayores entre los compuestos químicos conocidos, aspecto fundamental en los procesos bioquímicos

• Sus características hidrodinámicas y termodinámicas, también contribuyen a hacer del océano un factor indispensable para el sostenimiento de la vida sobre la Tierra.


planetarias (VII)• La capacidad calorífica del agua es de las más altas entre

todos los compuestos químicos conocidos, superior a la que tiene el suelo para absorber y mantener el calor procedente de la radiación solar

• Esta capacidad es fundamental en el control del clima de las diversas regiones del planeta

• La absorción de calor cuando el agua pasa del estado líquido al de vapor condiciona también las características climáticas de la Tierra como un todo

• Las lluvias, tormentas, los grandes huracanes y ciclones y su ausencia en las zonas áridas son una manifestación del impacto que ejerce el océano sobre la atmósfera

Antonio Cruzado:


Antonio Cruzado:


Diagrammatic cross-section illustrating the role of oceanic cycles in the global cycling of elements

Intensa Tormenta de Polvo sobre la Región de las Islas Canarias

Composition of Seawater

Antonio Cruzado:


Antonio Cruzado:


Natural waters acquire their chemical characteristics by dissolution and by chemical reaction with solids, liquids and gases with which they have cine into contact during the various parts of the hydrological cycle.

Dissolved mineral matter originates in the crustal materials of the earth. Mineral rocks are disintegrated and dissolved by water in weathering. Gases and volatile substances participate in this process.

As a first approximation, seawater may be considered as a gigantic acid-base titration (acid of volcanoes versus bases of rocks).

Constancy of composition

Antonio Cruzado:


Antonio Cruzado:


The major ions dissolved in seawater have a remarkable constant relative concentration to each other. Trace components do not show this same constancy especially the biolimiting elements in the euphotic layers.

Evaporation of average river water does not yield the composition of seawater. Furthermore, the dissolved material present in the ocean is only a small fraction of that delivered to the ocean by the rivers over geological time. Obviously, ions must be removed from the ocean approximately as fast as they are supplied by rivers.

Removal processes mainly control seawater composition.

A short history of Seawater

(from The Open University Team)

All the water and air now at the Earth's surface used to be inside the Earth and has been progressively released from the Earth's interior by a process of de-gassing that has been going on since the Earth formed about 4.6 billion years ago.The rate of de-gassing has decreased through time because the radioactive elements responsible for much of the Earth's internal heat have been decaying exponentially, so there is much less of these elements now than there was when the Earth formed.In short, the interior of the early Earth was hotter than it is now, convection in the Earth's mantle was more vigorous and de-gassing was more rapid.It seems likely that most of the oceans and atmosphere had been de-gassed from the Earth's interior by about 2.5 billion years ago, and that de-gassing has continued ever since but at a progressively decreasing rate.Small amounts of water and atmospheric gases continue to be expelled from inside the Earth even today.

The most significant influence on the surface environment of the early Earth must have been the composition of the atmosphere, which was dominated by nitrogen, water vapour and carbon dioxide.There was some oxygen, because fossil soil profiles with ferric oxide horizons have been found in rocks from the Archaean era (more than 2500 million years old). Conditions were not strongly oxidising, however, and it is possible that there was local reduction of nitrogen to ammonia. The primitive atmosphere probably also contained a certain amount of methane, another de-gassing product of the early Earth. Laboratory experiments in the 1950s showed that aminoacids could have been synthesised from gases dissolved in seawater with energy supplied by lightning and ultraviolet radiation which could penetrate through the atmosphere in the virtual absence of atmospheric oxygen and ozone.

With the discovery of hydrothermal vents in the oceans during the 1970s, it was suggested that organic molecules necessary for the development of early life forms could also have originated in the deep sea. Hydrothermal vents would provide an ideal environment: plenty of hot water and an abundance of raw materials. The Earth was hotter early in its evolution than it is now, and the hydrothermal environment was more widespread. Whether life on Earth originated at the ocean surface or the deep sea-bed, the earliest forms preserved in the fossil record are about 3.5 billion years old, and they were primitive blue-green algae requiring sunlight for photosynthesis.

The composition of seawater on the early Earth must also have been different from what is now. Dissolved constituents such as carbonate/bicarbonate and sulphate among the anions, and iron and manganese among the cations, must have been present in very different proportions.The concentration of HCO3

- was probably second only to that of Cl-, because sulphur would mostly have been in the form of relatively insoluble sulphide rather than soluble sulphate. The reduced forms of iron and manganese (Fe+2 and Mn+2) are both readily soluble, and as they are major components of crustal rocks they would have been more abundant in seawater than they are now.

The ratio of atmospheric CO2 to O2 gradually decreased with time, as photosynthesising organisms fixed carbon in organic tissue and released oxygen. A contributory factor was the precipitation of carbonate sediments (though organisms with calcareous skeletons did not evolve until about 600 million years ago).There is an interesting speculation that life was unable to begin colonising land surfaces until about 400 million years ago, because only then was there sufficient atmospheric oxygen for the ozone layer to be thick enough to cut off most of the harmful ultraviolet radiation from the Sun.Variations in the level of atmospheric oxygen during the last several hundred million years are not ruled out, however.

Different authorities place rather wide limits on this variation: from as much as five times greater to as little as one-tenth of present levels since about 600 million years ago.With an oxidising atmosphere and a progressive decrease in CO2, both atmosphere and ocean approached their present compositions ever more closely. The temperature-buffering effect of the oceans has meant that the Earth's surface has nearly always been tolerable for life, but average surface temperatures have fluctuated appreciably. There is good geological evidence that the Earth's surface environment is normally characterised by ice-free poles and relatively gentle poleward temperature gradients.

Problemas ambientales en el Mar

• Escala global

• Escala local

• Escala costera

Problemas ambientales a escala global

• Calentamiento

• Ascenso del nivel del mar

• Cambios en los esquemas de circulación

• Blooms algales

• Decoloración de los corales

• Extinción de especies

• Invasiones de especies

Problemas ambientales más importantes a escala Local

• Contaminación química

• Eutrofización

• Hipoxia/Anoxia

• Blooms algales (Phaeocystis)

• Productos exocelulares (mucillagine)

• Dinoflagelados tóxicos

• Blooms de medusas

Blooms algales

• En las zonas estuarinas (generalmente en agua poco salada) esporádicamente se puede dar una superproducción de biomasa en una capa superficial que no es inmediatamente compensada por las pérdidas por procesos físicos o por pastoreo. Se producen floraciones algales o blooms.

Algas tóxicas

• Cada vez con mayor frecuencia y virulencia se producen floraciones de algas tóxicas (para los organismos marinos o el hombre) asociadas, sobre todo, a zonas de cultivo de moluscos bivalvos.

• Aunque rara vez forman blooms (escaso impacto estético o ecológico) sus efectos pueden ser importantes para la economía.

Mucílagos

• Cuando los nutrientes se encuentran en desequilibrio (N/P), las poblaciones fitoplanctónicas pueden producir polisacáridos exocelulares mucilaginosos.

• Estos pueden acumularse en lugares de circulación restringida causando problemas ecológicos y estéticos y aun afectar determinadas actividades.

Eutroficación

• Algunas zonas costeras están sometidas a fuerte presión nutritiva por la descarga de nutrientes orgánicos e inorgánicos. Ejemplos son el Adriático norte, el golfo de Elevsis o algunas bahías fuertemente pobladas. En estos lugares, la renovación de agua es insuficiente para diluir los aportes en buena parte antropogénicos.

Anoxia

• Cuando la biomasa producida en la capa superficial no alcanza a ser consumida en ella por los organismos herbívoros suele sedimentar a la capa subsuperficial donde nutre una población de heterótrofos (sobre todo bacterias) consumidora de oxígeno.

• En condiciones de profundidad escasa y circulación restringida se produce anoxia.

Problemas ambientales más importantes a escala Costera

• Vertidos tóxicos

• Vertido de aguas residuales

• Erosión costera

• “Recuperación” de playas

• Alteraciones de la línea de costa

• Cambios en las descargas fluviales

Degradación zonas costeras

• La degradación de las zonas costeras puede tener muchos orígenes no siempre asociados a los vertidos de aguas contaminantes.

• Exceso de pesca, acuicultura, construcción de infraestructuras (carreteras, líneas férreas, puertos comerciales o deportivos, etc) son fuertemente degradantes.

Commercial fishingCoastal aquacultureIntensive tourismIndividual divingPleasure boatingWatershed management Scientific research

Legitimate uses with negative impacts on the marine environment.

Coastline alterationsBeach recoveryCoastal erosionChanges in river dischargesCoastal eutrophicationHypoxia/anoxiaSea-level changeSeawater warmingChanges in circulation patternsChanges in salinity/evaporation

Algal bloomsCoccolithophorid bloomsExtra-cellular productsToxic flagellatesJellyfish swarmsSpecies invasionSpecies extinctionDemographic explosionForest fires

Environmental issues that were overlooked or not known 30-40 years ago

Curso de Oceanografía Química Antonio Cruzado Barcelona, 3 Junio 2001.

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