Propriedades da água do mar

A água do mar é uma mistura de 96,5% de moléculas de água pura e cerca de 3,5% de outros materiais, tais como sais, gases dissolvidos, substâncias orgânicas e partículas não solúveis. As propriedades físicas da água pura serão portanto, discutidas primeiro.

A água pura, quando comparada a fluídos de composição similar, mostra propriedades bastante icomuns. Isto é um resultado de estrutura particular da moléculas de água H₂O: Os átomos de hidrogênio têm carga positiva e unitária, enquanto que o átomo de oxigênio têm duas cargas negativas. Todavia, o arranjo final das moléculas é de tal maneira que as cargas elétricas não se neutralizam (Veja a Figura 3.1; as cargas poderiam estar neutralizadas se o ângulo fosse 180° ao invés de 105°).

As conseqüências principais da estrutura molecular da água são:

1. A molécula de água é um dipólo elétrico, que faz com que as moléculas formem agregados de moléculas (polímeros) que contem em média 6 moléculas a 20°C. Desta forma, a água reage mais lentamente do que moléculas individuais; por exemplo, o ponto de ebulição muda de -80°C para 100°C, o ponto de congelamento muda de -110°C para 0°C.
2. A água tem um forte para dissociação, i.e., pode separar o material dissolvido em íons carregados eletronicamente (Figura 3.2). Como conseqüência, o material dissolvido aumenta bastante a condutividade da água. A condutividade da água pura é relativamente baixa, mas a da água do mar tem valores entre aqueles da água pura e do cobre. Em 20°C, a resistência da água do mar com um conteúdo de sal de 3,5 % é maior que 1.3 km o que é grosseiramente equivalente a resistência da água pura sobre 1 mm.
3. O ângulo de 105° é próximo ao ângulo de um tetraedro, i.e., uma estrutura com 4 braços saindo de um ponto central, todos com o mesmo ângulo entre si (109° 28´). Como resultado, os átomos de oxigênio na água tentam ter 4 átomos de hidrogênio anexados a eles em um arranjo tetraédrico. (Figura 3.1). Isso é chamada de "ponte de hidrogênio" para contrastar com as ligações iônicas e covalentes. Pontes de hidrogênio necessitam da a energia de ligação cerca de 10 a 100 menor do que as ligações moleculares, então a água é bastante flexível em sua reações a mudanças nas condições químicas.
4. Tetraedros tem uma arranjo com uma malha mais aberta do que a natureza mais empacotada das ligações moleculares. Eles formam agregados de um, dois, quatro ou oito moléculas. Em temperaturas altas os agregados com uma ou duas moléculas dominam; conforme a temperatura decresce, os conjuntos maiores começam a dominar (Figura 3.3). Os grupos de moléculas maiores ocupam menos espaço do que o mesmo número de moléculas arranjadas em agregados menores. Como resultado, a água pura apresenta a sua densidade máxima na temperatura de 4°C.

Quando a água congela, todas as moléculas formam tetraedros. Isso leva a uma mudança súbita de volume, i.e., decréscimo em densidade. A fase sólida da água é portanto mais leve do que a fase líquida, o que é uma propriedade rara. Algumas conseqüências importantes são:

1. O gelo flutua. Isso é importante para a vida em lagos de água doce, já que o gelo atua como um isolante térmico nas perdas adicionais de calor, prevenindo que a água congele totalmente da superfície ao fundo.
2. A densidade mostra um decréscimo rápido conforme o ponto de congelamento se aproxima. A expansão resultante durante o congelamento é a maior causa do intemperismo de rochas.
3. TO ponto de congelamento diminui sob pressão. Como conseqüência, derretimento ocorre na base das geleiras, o que facilita o seu deslocamento.
4. Pontes de hidrogênio cedem sob pressão, i.e., o gelo sob pressão se torna mais plástico. Como conseqüência, o gelo terrestre da Antártica e do ártico fluem, e quebrando pedaços na sua porção mais externa que formam os icebergs. Sem esse processo, toda a água das regiões polares eventualmente se tornariam gelo.

O Conceito de Salinidade

Como mencionado anteriormente, a água do mar contem em seu peso 3,5 % sais, mas também gases, substâncias orgânicas e material particulado. A presença adicional dos sais influencia na maioria das propriedades físicas da água do mar (densidade, compressibilidade, ponto de congelamento, temperatura da densidade máxima) em algum grau, mas não são os fatores que os condicionam. Algumas propriedades (viscosidade, absorção de luz) não são significativamente afetada pela salinidade (detalhe: o material dissolvido e particulado afeta a absorção de luz, e de fato, essa influência é usada na maioria das aplicações ópticas). Duas propriedades que são determinadas pela quantidade de sais na água são a condutividade e a pressão osmótica.

Numa maneira ideal, a salinidade deveria se a soma de todos os sais dissolvidos em gramas por cada quilograma de água. Na prática, isso é uma coisa difícil de medir. A constatação que - não importando quanto sal existe em uma parcela de água do mar - os vários componentes contribuem em uma razão ou proporção fixa, ajuda a solucionar as dificuldades. Essa fato permite a determinação do conteúdo em sal pela medida de uma quantidade substituta e o cálculo de material total a partir dessa medida.

A determinação da salinidade pode ser assim feita através da medida de seu componente mais importante, que é o cloreto. O conteúdo em cloreto foi definido em 1902 como a quantia total em íons cloreto em gramas presente em um quilograma de água do mar se todos os halogênios fossem substituídos por cloretos. A definição reflete no processo de titulação para a determinação de conteúdo em cloreto e é ainda tem importância quando lidamos com dados históricos.

A salinidade foi definida em 1902 como a quantia total em gramas de todas as substâncias dissolvidas se todos os carbonatos fossem convertidos em óxidos, todos os brometos e iodetos fossem convertidos a cloretos e todas as substâncias orgânicas fossem oxidadas. A relação entre a salinidade e o conteúdo em cloretos foi estabelecida com uma série de medidas feitas em laboratório em amostras de água do mar coletadas em todas as regiões do oceano mundial e foi dada como:

S (^o/_oo) = 0.03 +1.805 Cl (^o/_oo) (1902)

O símbolo^o/_oo significa "partes por mil" ou"ppt"; um conteúdo em sal content de 3.5% é equivalente a 35 ^o/_oo, or 35 gramas de sais por quilograma de água do mar.

O fato de que a equação de 1902 dá um valor de salinidade igual a 0.03 ^o/_oo quando a cloridade é zero é um motivo de preocupação. Isso indica um problema nas amostras de água do mar usadas nas medidas de laboratório. A United Nations Scientific, Education and Cultural Organization (UNESCO) decidiu repetir as análises usadas como base para essa relação inicial entre salinidade e clorinidade e introduziu uma definição nova, conhecida como salinidade absoluta ,

S (^o/_oo) = 1.80655 Cl (^o/_oo) (1969)

A definição de 1902 e 1969 dão resultados idênticos a uma salinidade de 35 ^o/_oo e não muda significativamente na maioria das aplicações.

A definição da salinidade foi mais uma vez revisada quando as técnicas para medir salinidade usando a condutividade, a temperatura e a pressão foram desenvolvidas. Desde 1978, a chamada "Practical Salinity Scale" (Escala de Salinidade Prática) define salinidade na forma de uma razão entre medidas de condutividade:

" A practical salinity, símolo S, de uma amostra de água do mar, é definida em termos da razão K, que é na verdade a medida de condutividade elétrica de uma amostra a 15°C e pressão igual a 1 atmosfera dividida pela condutividade elétrica de uma solução de cloreto de potássio (KCl) contendo a proporção em peso de 0,0324356, na mesma temperatura e pressão. O valor de K igual a 1,000 corresponde por definição, a uma salinidade prática de 35." A fórmula correspondente aqui é:

S = 0.0080 - 0.1692 K^1/2 + 25.3853 K + 14.0941 K^3/2 - 7.0261 K² + 2.7081 K^5/2

Repare que nessa definição, a salinidade é uma razão e assim (^o/_oo) não é mais usada, mas um valor antigo de 35^o/_oo corresponde a um valor de 35 em salinidade prática. Alguns oceanógrafos não se acostumam a usar números de salinidade sem unidades e escrevem "35 psu", onde psu está lá para significar "practical salinity unit".Como a salinidade prática é uma razão (divisão de dois termos com mesma unidade) não tem portanto nenhuma unidade (que se cancelam na divisão), a unidade "psu" não tem muito sentido e seu uso é fortemente desencorajado. Mesmo assim, pequenas diferenças ocorrem entre as definições antigas e a nova escala de salinidade prática, mas de maneira geral são bastante pequenas e usualmente ignoráveis.

Condutividade Elétrica

A condutividade da água do mar depende do número de íons dissolvidos por unidade de volume (i.e., salinidade) e da mobilidade dos íons (i.e., temperatura e pressão). Suas unidades são mS/cm (milli-Siemens por centímetro). A condutividade aumenta igualmente pela adição de salinidade a 0.01, um aumento de temperatura de 0.01°C, e um aumento de profundidade (i.e., pressão) de f 20 m. Para as maiorias das aplicações práticas em oceanografia, as mudanças de condutividade são dominadas por mudanças de temperatura.

Densidade

A densidade é um dos parâmetros mais importantes no estudo da dinâmica dos oceanos. Pequenas mudanças de densidade na horizontal (causadas por exemplo por diferenças de aquecimento da superfície) podem produzir correntes bastante fortes. A determinação da densidade tem sido portanto uma das atividades mais importantes em oceanografia. O símbolo para a densidade é a letra grega ρ (rho).

A densidade da água do mar depende da temperatura T, da salinidade S e da pressão p. Essa dependência é conhecida como a Equação de Estado da água do mar.

A equação de estado para um gás ideal foi dada por

p = ρ R T

onde R é constante do gás. A água do mar não é um gás ideal, mas quando submetida a pequenas variações em temperatura se torna bem parecida a um. Uma equação exata para todos os espectros de temperatura, salinidades e pressões encontradas nos oceanos

ρ = ρ(T,S,p)

A densidade aumenta com um aumento da salinidade e diminui com um decréscimo em temperatura, exceto para temperaturas abaixo daquela de densidade máxima (Figura 3.4). A densidade dos oceanos é usualmente próxima a 1025 kg m^-3 (Em água doce é próxima a 1000 kg m^-3). Os oceanógrafos comumente usam o símbolo σ_t (a letra grega sigma com um subscrito t) para densidade, para o qual eles pronunciam "sigma-t". Essa quantidade é definida como σ_t = ρ - 1000 e não possui unidades geralmente (ele deveria ter as mesmas unidades que ρ). Uma densidade típica da água do mar é portanto σ_t = 25 (Figura 3.5).

Uma regra geral útil é que σ_t muda pela mesma quantia se a T muda 1°C, S muda 0.1, and p pelo equivalente a 50 m de mudança em profundidade.

Note que a densidade máxima é acima do ponto de congelamento para salinidades abaixo de 24,7 mas abaixo do ponto de congelamento para salinidades acima de 24,7. Isso influencia na convecção térmica:

• S < 24,7: A água resfria até chegar a sua densidade máxima; então, quando a água de superfície se torna mais leve (i.e., depois de ter passado de sua densidade máxima) o resfriamento fica restrito a camada de mistura pelo vento, que eventualmente congela. As bacias profundas se tornam repletas de água com densidade máxima.

• S > 24,7: A convecção sempre alcança todo o corpo de água. O processo de resfriamento é retardado devido a grande quantidade de calor que está armazenada no corpo de água. Isso acontece porque a água chega a seu ponto de congelamento antes de alcançar seu valor de densidade máxima.

Cálculo baseado emFofonoff, P. and R. C. Millard Jr (1983) Algorithms for computation of fundamental properties of seawater.Unesco Tech. Pap. in Mar. Sci. 44, 53 pp.

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