13.1: Abastecimento de água doce e ciclo da água

Água, ar e comida são os recursos naturais mais importantes para as pessoas. Os humanos podem viver apenas alguns minutos sem oxigênio, menos de uma semana sem água e cerca de um mês sem comida. A água também é essencial para nosso suprimento de oxigênio e alimentos. As plantas decompõem a água e a usam para criar oxigênio durante o processo de fotossíntese.

Bebês humanos são aproximadamente 75% de água e adultos 60% de água. Nosso cérebro tem cerca de 85% de água, o sangue e os rins são 83% de água, os músculos são 76% de água e até os ossos são 22% de água. Perdemos água constantemente por transpiração. Em climas temperados, devemos beber cerca de dois litros de água por dia, e as pessoas em climas desérticos quentes devem beber até 10 litros de água por dia. A perda de 15% da água corporal geralmente causa a morte.

Reservatórios de água

A água é a única substância comum que ocorre naturalmente na Terra em três formas: sólida, líquida e gasosa. A hidrosfera é a área da Terra onde ocorre o movimento e o armazenamento de água. Os reservatórios de água são os locais onde a água é armazenada. (Observe que esse termo também pode se referir a lagos artificiais criados por barragens.) A água é encontrada como um líquido na superfície (rios, lagos, oceanos) e abaixo da superfície (águas subterrâneas), como gelo (calotas polares e geleiras) e como vapor de água na atmosfera. A figura\(\PageIndex{a}\) ilustra o tempo médio que uma molécula de água individual pode passar nos principais reservatórios de água da Terra. O tempo de permanência é uma medida do tempo médio que uma molécula de água individual permanece em um reservatório específico.

Figura\(\PageIndex{a}\): Tempo médio de permanência em que a água permanece em cada reservatório. A água permanece nos organismos por cerca de uma semana, na atmosfera por 1,5 semanas, nos rios por duas semanas, como umidade do solo de duas semanas a um ano, nos pântanos por 1-10 anos, nos lagos por 10 anos, nos oceanos e mares por 4.000 anos, como água subterrânea por 2 semanas a 10.000 anos e nas geleiras ou como permafrost por 1.000-10.000 anos. Imagem do OpenStax (CC-BY).

A Terra é verdadeiramente o Planeta da Água. A abundância de água líquida na superfície da Terra nos distingue de outros corpos do sistema solar. Cerca de 71% da superfície da Terra é coberta por água, e aproximadamente metade da superfície da Terra é obscurecida por nuvens (também feitas de água) a qualquer momento. Há um volume muito grande de água em nosso planeta, cerca de 1,4 bilhão de quilômetros cúbicos (km ³) = 330 milhões de milhas cúbicas, ou cerca de 53 bilhões de galões por pessoa na Terra. Toda a água da Terra poderia cobrir os Estados Unidos até uma profundidade de 145 km (90 milhas).

Apesar dos grandes volumes de água na Terra, apenas 2,5% são de água doce (figura\(\PageIndex{b}\)) e apenas 0,01% estão disponíveis para uso humano. Se toda a água do mundo fosse reduzida para o tamanho de 1 galão, a quantidade total de água doce seria de cerca de 1/3 de xícara e a quantidade de água doce facilmente utilizável seria de 2 a 3 colheres de sopa. Grande parte da água doce da Terra está presa em geleiras e calotas polares (figura\(\PageIndex{c}\)), e essa água está localizada de forma inconveniente, principalmente na Antártica e na Groenlândia. A água subterrânea rasa (água localizada abaixo da superfície da Terra) é o maior reservatório de água doce utilizável. Muitos organismos dependem das águas superficiais, como lagos e rios, que compreendem uma pequena fração da água doce na Terra. A falta dessas águas superficiais pode ter efeitos negativos nos ecossistemas.

Figura\(\PageIndex{b}\): Gráfico de barras da distribuição da água da Terra, incluindo água global total, água doce e água superficial. Os oceanos são os maiores reservatórios de água da Terra e apenas 2,5% da água da Terra é de água doce. A maior parte dessa água doce (68,7%) está em geleiras e calotas polares, 30,1% é água subterrânea e 1,2% é de superfície e outras águas doces. Desses 1,2%, 3,0% são encontrados na atmosfera, 0,26% em seres vivos, 0,49% em rios, 2,6% em pântanos e pântanos, 3,8% como umidade do solo, 20,9% em lagos e 69,0% como gelo moído e permafrost. Imagem do USGS/Igor Shiklomanov (domínio público).

Figura\(\PageIndex{c}\): Geleira da Montanha na Argentina. As geleiras são o maior reservatório de água doce, mas não são muito usadas como recurso hídrico diretamente pela sociedade devido à sua distância da maioria das pessoas. Fonte: Luca Galuzzi — www.galuzzi.it

O ciclo da água

O ciclo da água (ciclo hidrológico) mostra o movimento da água através de diferentes reservatórios, que incluem oceanos, atmosfera, geleiras, águas subterrâneas, lagos, rios e organismos (figura\(\PageIndex{d}\)). A energia solar, que aquece os oceanos e outras águas superficiais, e a gravidade impulsionam o movimento da água no ciclo da água. Isso leva à evaporação (água líquida em vapor d'água) da água superficial líquida, sublimação (gelo em vapor de água) da água congelada e transpiração (perda de água das plantas para a atmosfera). Quando a água do solo é absorvida pelas raízes das plantas, ela se move pelos tubos da planta (o sistema vascular), evapora no espaço da folha e transpira pelos estômatos (pequenas aberturas microscópicas) das folhas. Os ecologistas combinam transpiração e evaporação em um único termo que descreve a água devolvida à atmosfera: evapotranspiração. Assim, grandes quantidades de água se movem para a atmosfera como vapor de água.

Figura\(\PageIndex{d}\): O ciclo da água. As setas retratam o movimento da água para diferentes reservatórios localizados acima, em e abaixo da superfície da Terra. A evapotranspiração e a subliminação adicionam água à atmosfera, onde ela se condensa para formar nuvens. Assim, a água é armazenada na atmosfera. Por meio da precipitação, a água retorna à superfície da Terra. Quando a precipitação ocorre em altitudes elevadas, a água é armazenada como neve ou gelo. Quando a neve derrete, o escoamento resultante pode aumentar os riachos. A água da precipitação também pode se infiltrar para reabastecer o armazenamento de água subterrânea ou formar escoamento superficial. A descarga de água subterrânea, a água dos riachos e o escoamento superficial fluem para corpos de água doce e oceânicos. Fonte: Serviço Geológico dos Estados Unidos

O vapor de água na atmosfera pode migrar longas distâncias do oceano para a terra por meio dos ventos predominantes. Sobre o oceano ou a terra, o ar pode esfriar e fazer com que a água se condense novamente em água líquida. Isso geralmente acontece na forma de gotículas de água muito pequenas que se formam em torno de um pedaço microscópico de poeira ou sal chamado núcleos de condensação. Essas pequenas gotículas de água são visíveis como uma nuvem. As nuvens se acumulam e, quando as gotículas de água são grandes o suficiente, elas caem na terra como precipitação (chuva, neve, granizo ou granizo), que retorna a água à superfície da Terra.

A precipitação que atinge a terra pode retornar imediatamente à atmosfera, aumentar a água subterrânea ou formar escoamento superficial. Na maioria dos ambientes terrestres naturais, a chuva encontra a vegetação antes de atingir a superfície do solo. Uma porcentagem significativa de água evapora imediatamente da superfície das plantas ou diretamente da superfície do solo. A água subterrânea é reabastecida quando a água se infiltra no solo e, finalmente, preenche os espaços dos poros entre as partículas na sujeira, areia e cascalho ou nas fissuras nas rochas. A água subterrânea se move lentamente através de rochas e materiais não consolidados e parte dela acaba chegando à superfície novamente, onde descarrega como nascentes e em riachos, lagos e no oceano. Muitos riachos fluem não porque são reabastecidos diretamente da água da chuva, mas porque recebem uma entrada constante das águas subterrâneas abaixo. Além disso, a água superficial em riachos e lagos pode se infiltrar novamente para recarregar as águas subterrâneas. Portanto, os sistemas de águas superficiais e subterrâneas estão conectados. A água subterrânea também pode, em última análise, fluir para o oceano por meio do fluxo subterrâneo de água subterrânea, mas algumas águas subterrâneas são encontradas muito profundamente na rocha e podem persistir lá por milênios. O escoamento superficial é o fluxo de água doce sobre a terra, seja da chuva ou do gelo derretido. O escoamento pode percorrer riachos e lagos até os oceanos. O escoamento superficial ocorrerá somente se o solo ficar saturado com água em uma chuva forte.

As etapas do ciclo da água são explicadas no vídeo abaixo.

Salinidade e o ciclo da água

Uma parte importante do ciclo da água é como a água varia em salinidade, que é a abundância de íons dissolvidos na água. A água salgada nos oceanos é altamente salina, com cerca de 35.000 mg de íons dissolvidos por litro de água do mar. A evaporação é um processo de destilação que produz água quase pura com quase nenhum íon dissolvido. À medida que a água se vaporiza, ela deixa os íons dissolvidos na fase líquida original. Eventualmente, a condensação forma nuvens e, às vezes, precipitação. Depois que a água da chuva cai na terra, ela dissolve minerais na rocha e no solo, o que aumenta sua salinidade. A chuva e o escoamento superficial são as principais formas pelas quais os minerais, incluindo fósforo e enxofre, são transportados da terra para a água. Os efeitos ambientais do escoamento superficial foram discutidos em Ciclos Biogeoquímicos. A água doce (como lagos, rios e águas subterrâneas próximas à superfície) tem uma salinidade relativamente baixa.

Interações humanas com o ciclo da água

Os seres humanos alteram o ciclo da água extraindo grandes quantidades de água doce das águas superficiais e subterrâneas (consulte Uso da água). Além disso, mudanças no uso da terra, como desmatamento, agricultura e urbanização, reduzem a cobertura vegetal, o que reduz a infiltração e aumenta o escoamento superficial. (A vegetação retém naturalmente a precipitação à medida que ela cai, retarda o escoamento da superfície do fluxo e aumenta a taxa de infiltração.) Isso intensifica as inundações e exacerba a erosão, diminuindo a qualidade do solo e causando poluição dos sedimentos na água. Além disso, os humanos redirecionam o fluxo de água construindo barragens e aquedutos (figura\(\PageIndex{e}\)). Tanta água é retirada ou redirecionada do rio Colorado, no oeste dos Estados Unidos, que, apesar de seu tamanho considerável, em alguns anos ela seca antes de chegar ao mar no México. Em um exemplo extremo, o Mar de Aral, na Ásia Central, diminuiu para apenas 10% de seu tamanho inicial depois que a água foi desviada para a agricultura (veja este estudo de caso para obter mais detalhes).

Figura\(\PageIndex{e}\): O aqueduto da Califórnia transporta a água necessária para a agricultura do norte da Califórnia ao sul da Califórnia. Imagem do USGS (domínio público).

Recursos de água

Os recursos de água doce são finalmente reabastecidos pela precipitação. Essa água pode então ser obtida de águas superficiais, como rios e lagos, e de aquíferos, que armazenam águas subterrâneas.

Recursos primários de água doce: precipitação

Os níveis de precipitação estão distribuídos de forma desigual em todo o mundo, afetando a disponibilidade de água doce (figura\(\PageIndex{f}\)). Em geral, devido ao aquecimento desigual da Terra e das células de circulação de ar global resultantes da rotação da Terra, o ar sobe perto do equador e perto de 60° de latitude norte e sul e afunda nos pólos e 30° de latitude norte e sul. Conforme discutido em Efeitos climáticos nos biomas, a luz solar intensa no equador aquece o ar, fazendo com que ele suba e esfrie, o que diminui a capacidade da massa de ar de reter vapor de água e resulta em tempestades frequentes. Em torno de 30 graus de latitude norte e sul, as condições de ar descendente produzem um ar mais quente, o que aumenta sua capacidade de reter vapor de água e resulta em condições secas. Tanto as condições de ar seco quanto as temperaturas quentes desses cinturões de latitude favorecem a evaporação.

O tamanho dos continentes, montanhas, ventos predominantes, padrões de circulação oceânica e até mesmo a proximidade de corpos d'água podem afetar os padrões climáticos locais. Por exemplo, quando ventos frios sopram pelo relativamente quente Great Salt Lake, o ar aquece, o que faz com que ele absorva umidade. Esse aumento local no teor de umidade do ar pode eventualmente cair como neve ou chuva nas montanhas próximas, um fenômeno conhecido como “precipitação com efeito de lago”.

Figura\(\PageIndex{f}\): Precipitação média anual por país em 2014. Os países com maior precipitação (3000-3500 mm) são Nicarágua, Costa Rica, Panamá, Colômbia, Serra Leoa (na África Ocidental), Bangladesh e muitas das ilhas do Sudeste Asiático. Os países com menos chuvas (0-100 mm) são a Arábia Saudita e vários países do norte da África. Os Estados Unidos têm chuvas intermediárias (500-750 mm). As florestas tropicais do mundo crescem em áreas com altas chuvas, enquanto áreas com muito pouca chuva são desertas. Imagem modificada de Nosso Mundo em Dados/Banco Mundial (CC-BY).

Nos Estados Unidos, o 100º Meridiano marca aproximadamente a fronteira entre as partes úmidas e áridas do país (figura\(\PageIndex{g}\)). A irrigação é necessária para cultivar safras a oeste do 100º Meridiano. No Ocidente, a água superficial é armazenada em reservatórios (lagos artificiais) e blocos de neve nas montanhas e liberada estrategicamente através de um sistema de canais durante períodos de alto uso.

Figura\(\PageIndex{g}\): Distribuição da precipitação nos Estados Unidos. O 100º Meridiano é aproximadamente onde a precipitação média passa de relativamente úmida para seca. Os estados do leste são em sua maioria verdes, indicando maior precipitação do que a maioria dos estados ocidentais, que são principalmente laranja ou vermelho (indicando baixa precipitação). (Fonte: U.S. Geological Survey)

Águas superficiais: rios e lagos

Os rios são um importante recurso hídrico para irrigação de terras agrícolas e água potável em muitas cidades ao redor do mundo. A água corrente da chuva e da neve derretida na terra entra nos canais dos rios por escoamento superficial (figura\(\PageIndex{h}\)) e infiltração da terra circundante. A área geográfica drenada por um rio e seus afluentes é chamada de bacia hidrográfica. A bacia hidrográfica do rio Mississippi inclui aproximadamente 40% dos EUA, uma medida que inclui as bacias hidrográficas menores, como o rio Ohio e o rio Missouri, que ajudam a compreendê-la. Os rios que tiveram disputas internacionais sobre o abastecimento de água incluem o Colorado (México, sudoeste dos EUA), Nilo (Egito, Etiópia, Sudão), Eufrates (Iraque, Síria, Turquia), Ganges (Bangladesh, Índia) e Jordânia (Israel, Jordânia, Síria).

Figura\(\PageIndex{h}\): Escoamento superficial, parte do fluxo terrestre no ciclo da água Fonte: James M. Pease no Wikimedia Commons

Além dos rios, os lagos também podem ser uma excelente fonte de água doce para uso humano. Eles geralmente recebem água do escoamento superficial e das águas subterrâneas. Ao construir barragens, as pessoas criam lagos artificiais (reservatórios).

Recursos de água subterrânea

Embora a maioria das pessoas no mundo use água superficial, a água subterrânea é um reservatório muito maior de água doce utilizável, contendo mais de 30 vezes mais água do que rios e lagos juntos. Uma grande área de subsuperfície, unidade de rocha porosa ou sedimento que retém água subterrânea extraível é um aqüífero. A zona saturada de um aquífero é onde a água subterrânea preenche completamente os espaços porosos dos materiais terrestres. O lençol freático é o nível mais alto no qual os poros estão totalmente saturados com água (figura\(\PageIndex{i}\)).

Figura\(\PageIndex{i}\): As zonas insaturadas e saturadas de um aquífero, que armazena água subterrânea. O lençol freático é o nível superior da zona saturada. A superfície terrestre é coberta por vegetação e a parte superior da água superficial é contínua com o lençol freático. A parte inferior da imagem mostra rochas com fendas (à esquerda) e cascalho (à direita), ambas com espaços que armazenam ar e água. Acima do lençol freático, a água (não a água subterrânea) é retida por atração molecular e envolve as superfícies das partículas de rocha. Todas as aberturas abaixo do lençol freático estão cheias de lençóis freáticos. Imagem do USGS (domínio público)

Uma combinação de um local para colocar água (porosidade) e a capacidade de mover a água (permeabilidade) é um bom aqüífero. A porosidade é uma medida do espaço aberto nas rochas - expressa como a porcentagem do espaço aberto que compõe o volume total da rocha ou do material sedimento. A permeabilidade é uma medida da interconexão dos poros em uma rocha ou sedimento. As conexões entre os poros permitem que esse material transmita água. A porosidade e a permeabilidade são funções da composição das partículas do solo. Por exemplo, as argilas geralmente têm uma porosidade muito alta, mas os poros estão mal conectados, causando baixa permeabilidade.

Os aquíferos são comumente perfurados e instalados poços para fornecer água para agricultura e uso pessoal. Em muitos casos, os aquíferos estão se esgotando mais rápido do que sendo reabastecidos pela água que se infiltra de cima. A água subterrânea é um recurso particularmente importante em climas áridos, onde a água superficial pode ser escassa. Além disso, a água subterrânea é a principal fonte de água para proprietários rurais, fornecendo 98% dessa demanda de água nos EUA

Como a água subterrânea é bombeada dos poços de água, geralmente há uma queda localizada no lençol freático ao redor do poço chamada cone de depressão (figura\(\PageIndex{j}\)). Quando há um grande número de poços que bombeiam água há muito tempo, o lençol freático regional pode cair significativamente. Isso é chamado de mineração de águas subterrâneas, que pode forçar a perfuração de poços mais profundos e mais caros, que geralmente encontram águas subterrâneas mais salinas. Rios, lagos e lagos artificiais (reservatórios) também podem se esgotar devido ao uso excessivo. Alguns rios grandes, como o Colorado nos EUA e o Amarelo na China, secam em alguns anos.

Figura\(\PageIndex{j}\): À medida que a água subterrânea é extraída do poço, o lençol freático do aqüífero mergulha, formando um cone de depressão. O rebaixamento está entre o lençol freático e o cone da depressão. A precipitação é representada por gotículas de água que caem de uma nuvem. Ele mergulha no solo, recarregando o aqüífero. No fundo do aqüífero está a unidade de confinamento, que é impermeável à água. Imagem de Tara Gross/USGS (domínio público).

Outro problema de recursos hídricos associado à mineração de água subterrânea é a intrusão de água salgada, onde o bombeamento excessivo de aquíferos de água doce perto da costa oceânica faz com que a água salgada entre em zonas de água doce. A queda do lençol freático ao redor de um cone de depressão em um aquífero pode mudar a direção do fluxo regional de águas subterrâneas, o que poderia enviar a poluição próxima para o poço de bombeamento, em vez de se afastar dele. Finalmente, problemas de subsidência (afundamento gradual da superfície terrestre em uma grande área) e sumidouros (afundamento rápido da superfície terrestre em uma pequena área) podem se desenvolver devido a uma queda no lençol freático. Como os poros do aqüífero colapsam quando ocorre a subsidência, isso reduz permanentemente a capacidade do aqüífero de reter água no futuro.

A água subterrânea é reabastecida por infiltração, infiltração de águas superficiais (lagos, rios, reservatórios e pântanos), água superficial deliberadamente bombeada para o solo, irrigação e sistemas subterrâneos de tratamento de águas residuais (fossas sépticas). As áreas de recarga são locais onde a água superficial se infiltra no solo em vez de correr para os rios ou evaporar (figura\(\PageIndex{k}\)). As áreas de recarga são geralmente a localização topograficamente mais alta de um aquífero. Eles são caracterizados por riachos que ficam abaixo do lençol freático e sedimentos ou rochas que permitem a infiltração na subsuperfície. As zonas úmidas, por exemplo, são excelentes áreas de recarga. As áreas de recarga marcam o início dos caminhos do fluxo de água subterrânea.

A recarga pode ser induzida por meio da prática de gerenciamento de aquíferos de armazenamento e recuperação de aquíferos. Os poços de injeção permitem que os humanos aumentem a taxa de recarga em um sistema aquífero bombeando água para um aqüífero (figura\(\PageIndex{k}\)). Os poços de injeção são regulamentados pelos governos estadual e federal para garantir que a água injetada não tenha um impacto negativo na qualidade ou no fornecimento da água subterrânea existente no aqüífero. Alguns aquíferos são capazes de armazenar quantidades significativas de água, permitindo que os gestores de água usem o sistema aqüífero como um reservatório de superfície. A água é armazenada no aqüífero durante períodos de baixa demanda de água e alto abastecimento de água e, posteriormente, extraída em períodos de alta demanda e baixo abastecimento de água.

Figura\(\PageIndex{k}\): A água subterrânea pode ser reabastecida por meio de áreas de recarga natural, bem como de poços de injeção artificial. Neste diagrama, a precipitação surge de uma nuvem de tempestade. Parte da água desaparece como escoamento, e parte da água se infiltra na areia (recarga natural da precipitação). A água enche a areia e o cascalho no aqüífero (denominado reservatório de água subterrânea). Abaixo do aqüífero está o leito rochoso, que é impermeável à água. Outra fonte natural de recarga vem dos riachos. Através de um poço de recarga artificial, a água flui de um tubo através de uma válvula de controle para um tubo de injeção. Isso também aumenta a água subterrânea. Imagem do USGS (domínio público).

Atribuições

• Ciclo da água e abastecimento de água doce, problemas e soluções de abastecimento de água e ciclos biogeoquímicos da biologia ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado sob CC-BY)
• O ciclo da água, o uso e distribuição da água e a água subterrânea a partir de uma introdução à geologia, de Chris Johnson et al. (licenciado sob CC-BY-NC-SA)
• Ciclos biogeoquímicos e o fluxo de energia no sistema terrestre a partir da sustentabilidade: uma base abrangente de Tom Theis e Jonathan Tomkin, editores (licenciados sob CC-BY). Baixe gratuitamente no CNX.
• Ciclos biogeoquímicos da Biologia 2e da OpenStax (CC-BY). Acesse gratuitamente em openstax.org.