introdução às ciências do mar

LICENCIATURA EM CIÊNCIAS DO MAR
INTRODUÇÃO ÀS CIÊNCIAS DO MAR
MÓDULO – OCEANOGRAFIA QUÍMICA
Ano Lectivo 2008/2009
Maria João Bebianno
[email protected]
Faro, Novembro 2007
M. J. Bebianno
Ciências do Mar - Módulo Oceanografia Química
MÓDULO – OCEANOGRAFIA QUÍMICA
1. O que é a Oceanografia Química?
Os oceanos são a parte mais importante do globo terrestre, representando cerca de 71%
1 348 milhões de km3)
do total da sua superfície (361 milhões de km2 e aproximadamente1
que se distribuem pelo hemisfério norte e sul do seguinte modo :
- Hemisfério Norte - 60,7% de água do mar e 39,3% de terra;
- Hemisfério Sul
- 80,9% de água do mar e 19,1% de terra.
Esta imensa extensão de massa de água tem, obviamente, uma influência directa
na humanidade e em todas as formas de vida até hoje conhecidas na terra. Um dos
motivos fundamentais para aprofundar o conhecimento sobre os oceanos foi o de
desenvolver a exploração de outros recursos, para além dos biológicos; nomeadamente os
minerais e os energéticos.
Os oceanos desempenham um papel central nas alterações ambientais globais pelo
que é essencial que estejamos aptos a prever os processos oceânicos à escala global e
regional e a sua interação com a atmosfera e a litoesfera. Por outro lado, constata-se que a
"saúde dos oceanos" se tem vindo a degradar rapidamente, durante os últimos anos,
sendo necessário e urgente tomar as medidas apropriadas para corrigir esta situação,
tendo em vista conseguir-se, dentro do possível, um desenvolvimento sustentável desta
gigantesca massa de água.
O oceano é uma unidade interactuante no plano mundial e não é possível dividi-lo
em pequenos compartimentos. Os fenómenos e processos oceânicos regem-se pelas leis
fundamentais da física, da química, da biologia e da geologia. Todos os campos da
ciência marinha estão interligados e além disso o estudo dos oceanos deve incluir,
também, as interacções com a atmosfera e a litoesfera. Consequentemente o estudo dos
oceanos tem de ser encarado numa perspectiva holística e multidisciplinar, dando
especial atenção à sua dinâmica. De facto, mar, é movimento!
A Oceanografia Química é o estudo da química dos oceanos. Inclui o
conhecimento a nível molecular de todos os processos químicos que ocorrem no oceano,
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tendo como principais componentes os diferentes compostos químicos existentes na água
do mar e nos sedimentos marinhos e divide-se tradicionalmente em dois campos:
- o do conhecimento da composição elementar da água do mar, e,
- o dos processos químicos e bioquímicos que ocorrem no oceano e nas
interfaces Oceano-Atmosfera e Oceano-Litoesfera.
Este conceito evidencia a posição central da Oceanografia Química no estudo do
Oceano. O seu contributo para a Oceanografia Física tem a ver com o facto de para o
conhecimento das massas de água é necessário estudar parâmetros que se baseiam em
elementos químicos da água do mar, como por exemplo os que contribuem para o
conhecimento da salinidade ou do teor em oxigénio dissolvido. O conhecimento das
concentrações dos micronutrientes essenciais à vida marinha tais como o azoto, o fósforo
e a sílica têm um interesse particular para a Oceanografia Biológica. Os estudos de
Oceanografia Química são também importantes para a Oceanografia Geológica pois
permitem fornecer elementos chave para a formação de diversos depósitos minerais,
como por exemplo os nódulos de manganês.
O objectivo fundamental do oceanógrafo químico é, pois, o de compreender
suficientemente o meio marinho do ponto de vista químico de modo a que quando este
sistema é perturbado, quer através de processos naturais quer de actividades humanas, as
suas consequências possam ser previstas.
2. História da Oceanografia Química
A preocupação do homem com o oceano vem de longa data. Para os observadores da
antiguidade o mar era enorme e complexo, uma entidade com vida, uma casa de deuses;
em resumo “o mar era misterioso”. As pessoas observavam o mar e extasiavam-se com
ele, mas à medida que foram desvendando os seus mistérios, foram também adquirindo
os conhecimentos que permitiram a realização de estudos sistemáticos, utilizados
posteriormente no campo da navegação e na área da pesca, entre outros.
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Uma das primeiras provas da utilização dos conhecimentos adquiridos data do
século décimo antes de Cristo quando, a civilização Helénica, através do seu comércio
marítimo, evidenciou um razoável domínio do perfil da costa mediterrânica e das suas
correntes. Também Aristóteles tinha já estudado a vida no mar Egeu e debatido as teorias
filosóficas mais antigas nomeadamente sobre fenómenos como a salinidade do mar.
O período das descobertas permitiu estabelecer, com mais rigor, o traçado dos
oceanos mundiais o que facilitou, desde aí, a realização de expedições oceanográficas. No
entanto, foi apenas no século XVII que, os cientistas tentaram aplicar, pela primeira vez,
os seus conhecimentos ao estudo do mar, com o objectivo de reduzirem os perigos para a
navegação. Assim, em 1665 a "Royal Society" Inglesa publica, pela primeira vez, as
“Instruções para Marinheiros” onde se indica como recolher dados sobre profundidade,
salinidade, marés, correntes, etc. Os dados sobre as marés foram utilizados mais tarde por
Isaac Newton para exemplificar a teoria da gravidade.
O interesse crescente pelas ciências marinhas deu lugar ao aparecimento, no
século XIX, de importantes trabalhos dedicados ao mar. Estava-se no limiar do
nascimento da Oceanografia.
A química marinha tornou-se uma disciplina importante no princípio do século
XX quando os cientistas começaram a orientar a sua investigação no campo atrás
referido. Anteriormente a 1900 o estudo da química marinha era principalmente
restringido à investigação da composição dos sais da água do mar. Os primeiros
resultados de tal trabalho foram publicados em 1674 pelo químico Robert Boyle.
Em 1772, o químico francês Antoine Lavoisier publicou uma análise da água do
mar utilizando, o método de extracção por solventes. No entanto, a primeira análise
química de vários componentes da água do mar foi feita por Bergman em 1779. Desde
essa data vários cientistas determinaram um ou mais elementos em amostras de água de
vários oceanos. Marcet ao analisar amostras dos Oceanos Ártico e Atlântico e dos Mares
Mediterrâneo, Negro, Báltico e da China, em 1819, foi o primeiro a sugerir que a
composição relativa da água do mar era aproximadamente constante. Esta sugestão
simples foi classificada, por Dana Kestner, como a primeira lei da Oceanografia
Química. Outros cientistas fizeram análises de amostras de água do mar. Contudo, a
primeira investigação extensiva dos principais componentes inorgânicos da água do mar
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foi investigada pelo Dinamarquês Johann Forchhammer (1865). Durante cerca de 20
anos, este oceanógrafo analisou Cl-, SO4=, Mg
2+
, Ca2+ e K+ directamente e Na+ por
diferença. Efectuou estas análises em centenas de amostras de água do mar superficiais
que lhe tinham sido enviadas de todas as partes do mundo. Quando em 1865 publicou os
seus resultados demonstrou que embora o conteúdo total dos sais existentes na água do
mar diferisse de local para local a quantidade relativa dos principais sais existentes na
água do mar era constante.
A teoria defendida pelo biologo marinho britânico Edward Forbes (1815-1954)
segundo a qual havia uma zona do fundo do mar onde não existia vida, levou à realização
de uma das expedições oceanográficas mais importantes da História da Oceanografia.
Esta expedição contribuiu grandemente para o desenvolvimento da Oceanografia, e em
particular da Oceanorafia Química, e foi levada a cabo pelo navio britânico H.M.S.
Challenger (1872-1876) com o seguinte objectivo
• Investigar as condições físicas do fundo do mar nas grandes bacias
oceânicas;
• Determinar a composição química da água do mar em todas as
profundidades do oceano;
• Estudar as caracteristicas físicas e químicas dos depósitos existentes no
leito do mar, sua natureza e sua origem;
• Examinar a distribuição da vida em todas as profundidades, tanto no mar
como no seu leito.
Embora análises relativas à determinação da composição química da água do mar
tivessem sido efectuadas, como já foi referido, desde o inicio do século XIX, só depois da
expedição do navio H.M.S. Challenger (1872-1876) é que a Oceanografia Química
começou a ter verdadeiramente uma base científica. Na Figura 1 apresenta-se uma
imagem do navio H.M.S. Challenger e do primeiro laboratório químico, com
equipamento, considerado, à data, muito sofisticado, instalado pela primeira vez a bordo
do navio H.M.S. Challenger para estudar a distribuição oceânica de alguns dos elementos
principais da água do mar. Durante a expedição do navio Challenger, foram colhidas
amostras de água a diferentes profundidades até à profundidade de 1 500 m, em 263
locais (estações), tendo sido efectuadas diferentes determinações da gravidade específica,
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do teor em anidrido carbónico, etc, e utilizadas metodologias analíticas ainda actualmente
em uso. As amostras que não foi possível analisar a bordo foram à semelhança do que se
faz actualmente devidamente preservadas e transportadas para um laboratório em terra
(Glasgow) onde foram analizadas.
Figura 1 – H. M. S. Challenger – Laboratório de Química e material de colheita
A química marinha tornou-se, assim, uma disciplina importante no início do
século XX. Contudo, devido à complexidade da composição química da água do mar, da
interacção dos compostos, orgânicos e inorgânicos, em solução ou em suspensão, com os
organismos marinhos e os sedimentos oceânicos, a principal actividade de Oceanografia
Química foi durante muitos anos, meramente descritiva.
Em 1886, Dittmar analizou 70 amostras de água do mar colhidas a diferentes
profundidades nos principais oceanos durante a expedição do navio H.M.S. Challenger
(1872-1876). Embora com problemas de conservação de amostras e devido ao facto das
mesmas terem sido armazenadas durante cerca de dois anos, adoptou métodos de análise
que são ainda hoje utilizados e os seus resultados foram concordantes com os de
Forchhammer. Os resultados dessas análises que são comparáveis com os resultados
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obtidos actualmente, permitiram concluir a existência de um relação constante entre os
principais componentes da água do mar.
Outras expedições importantes se seguiram e estão indicadas -se na Tabela 1. De
salientar a expedição do navio FRAM teve lugar em 1893 sob a direcção do explorador
Norueguês Fridtjof Nansen. Nansen sentiu necessidade de medir, com maior precisão, a
salinidade e a temperatura da água do mar. Para esse efeito desenvolveu um equipamento
para a recolha de amostras de água do mar conhecido por Garrafas de Nansen. Na Figura
2 apresenta-se para além do exemplo de uma garrafa de Nansen, uma imagem do navio
FRAM, bem como de Fridtjof Nansen e da rota polar efectuada por este oceanógrafo,
mais tarde repetida por Otto Severdup.
Tabela 1
Posteriormente em 1899, Martin Knudsen desenvolveu uma nova metodologia,
mais precisa para a determinação da salinidade de modo a poder estabelecer uma relação
entre a salinidade e a densidade da água do mar.
A determinação da concentração de oxigénio dissolvido na água do mar também
chamou atenção dos cientistas, antes de meados do século XIX, mas foi só com
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Winckler, em 1888, que foi desenvovido um método volumétrico, método esse que ainda
hoje é muito utilizado. A utilização deste método permitiu identificar a presença de
oxigénio dissolvido em zonas profundas sem contacto directo com a atmosfera. A
presença de oxigénio nestas profundezas está relacionada com processos biológicos como
a fotosíntese e a respiração que ocorrem no oceano. Esses processos também têm
influência no teor em anidrido carbónico presente na água do mar cuja presença na água
do mar foi descoberta pelo químico Finish já no início do século XX (entre 1915 e 1933).
Embora se tenha reconhecido que à semelhança dos processos que ocorrem com
nas plantas terrestres, as plantas marinhas e o fitoplacton tenham necessidade de
micronutrientes para se desenvolverem só com o aparecimento dos métodos de análise
Figura 2 – Navio Oceanográfico Fram – Expedição Polar – Garrafas de Nansen;
Fidtjof Nansen (1983-1986); – Otto Severdrup (1898-1902).
espectrofotométricos foi posível explorar as relações entre os teores de azoto e de fosforo
(1920-1927) e a fertilidade dos oceanos. Estas determinações foram pela primeira vez
introduzidas em programas de Oceanografia Química pioneiros levados a cabo nos
cruzeiros oceanográficos do navio alemão METEOR (1925-1917) e do DISCOVERY II
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no oceano Atlântico Sul. Os dados obtidos nestes cruzeiros permitiram obter informações
sobre o movimento das massas de água e sobre a sua fertilidade.
A segunda guerra mundial marca uma viragem decisiva no estudo dos oceanos
com a possibilidade do desenvolvimento de técnicas defensivas que avançaram com o
conhecimento crescente das propriedades da água do mar.
Mais recentemente o desenvolvimento do método de análise utilizando compostos
radioactivos com por exemplo ao Carbono-14 para a determinação da productividade
primária (Steeman-Nielsen, 1952) deu um novo impulso para a determinação da
fertilidade dos oceanos.
Quando se analisa a história da Oceanografia Química conclui-se que todo o seu
desenvolvimento está relacionado com a introdução de novas tecnologias em química
analítica. Por exemplo, o desenvolvimento de metodologias analíticas automáticas para a
determinação de nutrientes e o desenvolvimento de sensores de salinidade, de
temperatura e de oxigénio, tem permitido reduzir substâncialmente o volume das
amostras de água necessário para se poder tirar conclusões sobre determinados
fenómenos químicos específicos.
Avançando no tempo podemos dizer que apesar do grande progresso conseguido,
nos últimos anos, com o desenvolvimento de novas metodologias analíticas mais
sofisticadas e mais sensíveis, existem ainda muitas lacunas relativas ao conhecimento dos
processos químicos que ocorrem no oceano, principalmente devido ao facto de, à
excepção dos seis componentes principais da água do mar, todos os outros componentes
se encontrarem em concentrações muito baixas, da ordem dos µg/l, ng/l ou mesmo
inferior, e em diferentes formas químicas (especiação). Torna-se por isso necessário
conhecer as diferentes formas de um determinado elemento para perceber o seu
comportamento no meio marinho.
As grandes variações temporais e espaciais que têm lugar em muitos processos
biológicos obriga a uma amostragem em grande escala, e durante um longo período de
tempo, para que seja possível construir modelos dos ciclos biogeoquímicos dos diferentes
elementos tendo sempre presente o interesse de obtenção de resultados à escala mundial.
Modernamente a Oceanografia caracteriza-se pelo estudo de fenómenos à escala
global e pela sua importância no equilíbrio da vida na terra. Para estudar o papel do
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oceano, à escala global é indispensável obter-se, sempre que possível, informação em
tempo real. Nesse contexto a utilização de satélites tem dado uma valiosa contribuição.
Pela primeira vez em 1987, foram efectuadas determinações das condições superficiais
do mar, da temperatura, do teor em clorofilas e da topografia, recorrendo aos satélites
SEASAT e NIMBUST.
O desenvolvimento de protótipos não tripulados como os veículos operados por
detecção remota, os sensores e actualmente as ferramentas da Internet tem permitido um
avanço considerável do conhecimento de processos e zonas oceânicas de difícil acesso ao
homem.
O facto desta gigantesca massa de água não poder ser estudada individualmente,
por cada nação, levou à criação de vários organismos internacionais que desde há várias
décadas se ocupam do estudo integrado do Oceano. São disso exemplo, a Comissão
Oceanográfica Intergovernamental da UNESCO, criada em 1960, com o fim de promover
a investigação científica marinha e o desenvolvimento dos serviços oceânicos com ele
relacionados com o objectivo de aumentar o conhecimento da natureza e da composição
dos recursos oceânicos.
A importância da Oceanografia tem-se afirmado em ritmo crescente o que levou a
que 1998, fosse designado, pelas Nações Unidas, como “Ano Internacional dos
Oceanos”
2.1 A Situação da Oceanografia em Portugal
Também em Portugal, país pioneiro nas descobertas marítimas, se verificou em finais
do século XIX principios do século XX, grande interesse pela Oceanografia.
O grande impulsionador da Oceanografia, em Portugal, foi o Rei D. Carlos (18891908). Em 1 de Setembro de 1896 o monarca inicia a primeira campanha oceanográfica
realizada nos mares de Portugal, a bordo do iate real “Amélia”. O cruzeiro incluia a
realização de sondagens até 1 500 m de profundidade, dragagens até 600 m, pesca com
aparelho para identificar a fauna pelágica e observaçõe e natureza física.
Estas campanhas prosseguiram, no período entre 1897 e 1898, a bordo do iate
“Amélia II”. Este navio tal como o anterior não dispunha de espaço laboratorial pelo que
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foi necessário construir um terceiro navio que também teve o nome de iate “Amélia III”.
As áreas de estudo foram o fundão ou fossa marítima existente frente à lagoa de
Albufeira e os fundos marítimos a sul da península de Setúbal. Todos estes trabalhos
realizados entre 1896 e 1900 foram objecto de publicações científicas. Em 1901 o
monarca adquiriu um quarto iate “Amélia IV” cujo diário de bordo documenta um
trabalho científico intenso, mas os resultados nunca foram publicados.
O iate “Amélia IV” foi mais tarde baptizado com o nome de “Aviso Cinco de
Outubro” e ficou conhecido pelos importantes trabalhos realizados no domínio da
Hidrografia.
As observações oceanográficas realizadas depois pela Estação de Biologia
Marítima datam de 1923 e foram realizadas com o mesmo navio. Destinavam-se a
estudar a distribuição da temperatura e da salinidade, desde a superfície até à
profundidade possível, numa secção entre o Cabo de São Vicente e Casablanca. Tinham
por objectivo dar um contributo importante para o conhecimento da distribuição da água
mediterrânea que a partir do Estreito de Gibraltar se espalha pelo Atlântico e contorna a
Costa Portuguesa. Foi durante este cruzeiro que pela primeira vez se fez em Portugal o
reconhecimento sistematizado das condições oceanográficas ao largo da Costa
Portuguesa.
Outro navio importante na investigação oceanográfica Portuguesa foi o navio
“Albacora” cujo primeiro cruzeiro teve início em 1925 e estendeu-se entre a Madeira e as
Ilhas Selvagens. Desde essa data e até fins de 1940 este navio efectuou, com mais ou
menos regularidade, estudos de oceanografia, biologia marinha e pescas estando
resumido na Tabela 3 alguns dos resultados das suas actividades oceanográficas.
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Tabela 2
Posteriormente
outros
trabalhos
foram
realizados
por
outros
navios
oceanográficos nacionais destacando-se as Campanhas do Almirante Lacerda, integradas
no Programa da Década Internacional de Exploração do Oceano Índico (IDOE) no canal
de Moçambique, as campanhas a bordo do navio Baldaque da Silva, Cruzeiro do Sul,
Salvador Correia, Afonso de Albuquerque, Gago Coutinho e D. Carlos e muitos outros
levados a cabo principalmente pelos navios do Instituto Hidrográfico.
Campanhas de Oceanografia Química de apoio às pescas têm também sido
realizadas nos cruzeiros dos navios de investigação do Instituto Português de Invertigação
do Mar (IPIMAR).
3. O Ciclo Hidrológico
A substância mais abundante no oceano é a água. Esta não só constitui cerca de 97%
de toda a massa de água existente no planeta como têm características físicas e químicas
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pouco usuais. A água é essencial à vida devido à sua habilidade única para dissolver
todas as substâncias e para controlar o calor no planeta.
Os 3% de água restantes distribuem-se pelo gelo (1,9%), águas subterrâneas (0,5%),
rios e lagos (0,02%) e vapor de água na atmosfera (0,0001%).
A quantidade de água existente na terra está calculada em cerca de 1 400 milhões de
3
km ,
-
150 km3 encontram-se na forma de vapor de água;
-
29 milhões de km3 (≈2%) na forma de gelo
-
10 milhões de km3 rios, lagos e águas subterrâneas
-
1 348 milhões de km3 nos oceanos (97%).
A água é por isso um recurso precioso, indispensável ao desenvolvimento da vida,
considerado um excelente solvente universal, cuja qualidade é preciso preservar.
3.1. A molécula de água
Na Figura 3 apresenta-se um esquema do ciclo hidrológico. Em cada ano cerca de 120
000 km3 de água deixam o oceano por evaporação, dos quais cerca de 36 000 km3 se
precipitam nos continentes, sob a forma de chuva, granizo ou neve. Esta água, por vezes
com características ácidas, devido aos gases e partículas em suspensão que arrasta no seu
percurso, ataca as rochas da superfície da terra e provoca a erosão dos solos. Os minerais
em solução ou na forma particulada em suspensão, são transportados pela água que corre
para o oceano onde termina o ciclo hidrológico.
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Figura 3 – Ciclo Hidrológico
3.1 Como se recolhem correctamente amostras de água do mar?
Os instrumentos oceanográficos dividem-se em dois grupos básicos: os que recolhem
amostras para serem estudadas ou analisadas posteriormente no laboratório e os que
fazem a determinação no próprio local.
Para se conhecer a composição química da água do mar é necessário saber recolher e
analisar amostras de água correctamente. Esta é uma das tarefas mais importantes da
Oceanografia Química.
Colher uma amostra de água do mar requer dispositivos especiais. Embora não
existam grandes problemas na recolha de amostras de água superficiais, para uma recolha
de amostras de água do mar em profundidade: 10 m, 100 m, 1000 m, 5 000 m são
necessários equipamentos específicos que se designam por garrafas de colheita.
A primeira garrafa destinada a colher amostras de água à profundidade desejada foi
inventada por F. L Ekman (1830-1890) que a utilizou para colher amostras de água no
mar Báltico. Esta garrafa de inversão foi rapidamente aperfeiçoada por Otto Pettersson
(1848-1941). Um novo dispositivo deste tipo foi inventado, no início do século XX, pelo
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oceanógrafo Norueguês, Fridjoft Nansen. Na Figura 4 apresentam-se exemplos de
garrafas de colheita e a sua evolução ao longo do tempo. A garrafa de Nansen que
continua a ser utilizada com esta designação pela quase totalidade dos oceanógrafos,
consiste num cilindro metálico, ou mais modernamente de plástico (PVC), dotado de uma
tampa em cada uma das extremidades que se deixa descer completamente aberto até à
profundidade desejada. Quando esta é atingida é lançado da superfície um peso,
conhecido por mensageiro, capaz de desencadear um mecanismo que faz fechar
hermeticamente as duas tampas e assim se tem a certeza de se ter efectuado a recolha à
profundidade desejada. Actualmente as garrafas de colheita de diferentes capacidades são
introduzidas na rosette onde se podem também incorporar outros sensores para efectuar
diferentes determinações
Para efectuar a recolha de amostras de água do mar a diferentes profundidades são
lançadas um conjunto de garrafas comandadas apenas por um único mensageiro que irá
desencadear o fecho de todas as garrafas à profundidade desejada.
Algumas das análises podem actualmente já ser realizadas a bordo dos navios
oceanográficos outras como a determinação da radioactividade ou de metais têm de ser
realizadas no laboratório em terra pelo que as amostras de água têm de ser devidamente
acondicionadas para evitar a contaminação.
Os registos in situ são utilizados para estudar características da água como a pressão
e a temperatura.
Os termómetros de inversão foram utilizados para medir a temperatura a uma
determinada profundidade (Figura 5). O termómetro é geralmente montado numa garrafa
de colheita de amostras de água. No início da Oceanografia Química, eram montados
nas paredes externas das garrafas de Nansen dois termómetros conhecidos por
termómetros de inversão. Estes termómetros serviam para registar a temperatura da água
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Garrafas de Nansen
Rosette
Garrafas de Nansen
de PVC
Garrafa de Richard
Garrafa de inversão de Ekman
Figura 4 – Diferentes tipos de Garrafas de recolha de amostras de água do mar
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no local e a determinada profundidade no momento em que o mensageiro era
enviado. Na profundidade requerida os termómetros são então invertidos o que faz com
que se quebre a coluna de mercúrio, o mercúrio cai então na outra extremidade do
termómetro e conserva a temperatura registada. Quando chega à superfície essa
temperatura pode estar alterada mas á possível corrigi-la com o termómetro auxiliar. Esta
técnica é muito precisa e pode registar temperaturas com uma precisão de 0,001ºC,
enquanto que a aproximação da variação de profundidade é de 1,8 m.
Um outro instrumento capaz de medir pressão e temperatura é o batitermógrafo
(Figura 6). O batitermógrafo é um aparelho de registo contínuo de temperatura e da
pressão, rebocado pelo navio. Um estilete movido pelas variações da temperatura regista
essas variações numa placa de vidro fumado que por sua vez se move em função da
pressão. Registam-se assim as variações da temperatura com a profundidade enquanto o
aparelho viaja na água. Posteriormente com uma grelha de leitura determina-se o perfil da
variação da temperatura com a profundidade em cada local. Actualmente pode utilizar-se
batitermógrafos não recuperáveis conhecidos por XBT.
Mais modernamente utilizam-se sondas de conductividade, temperatura e pressão,
conhecidas por CTD para efectuar estas determinações (Figura 7).
Figura 5 – Exemplos de Termómetros de Inversão
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Figura 6 – Exemplo de um Batitermógrafo
Figura 7 – exemplo de um CTD
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4. Composição Elementar da Água do Mar
4.1 Constituintes principais e secundários e sua distribuição no oceano
A água do oceano é uma solução de uma grande variedade de elementos e de
compostos químicos. É um meio que contém toda a vida marinha e uma fonte de
alimento dos organismos planctónicos que por sua vez são o alimento dos outros animais
que vivem no mar.
A composição química da água do mar é extremamente original. A sua pureza é
superior à de muitos compostos industriais, sendo constituída por água em mais de 96,5%
e os outros 3,5% por sais. Estes 3,5 % são compostos de substâncias que podem ser
introduzidas no oceano por processos físicos, químicos e biológicos. São estas
substâncias que estão na origem das propriedades químicas características da água do
mar.
Outros
elementos
3,5%
96,5%
Figura 8– Composição da Água do Mar
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Sódio
31%
Sulfato
8%
Cloro
Magnésio
54%
4%
Potássio
Outros
0%
elementos
Cálcio
2%
1%
Figura 9– Percentagem dos Componentes Principais Dissolvidos
na Água do Mar
A água do mar é uma solução complexa onde se misturam e reajem um certo
número de iões. Da enorme gama de substâncias presentes na água do mar os dois
elementos fundamentais para além do oxigénio e do hidrogénio são o cloro e o sódio que
se combinam para formar o cloreto de sódio (NaCl) e cujos teores são 1,05 g/l e 1,90 g/l
respectivamente. Estes dois iões perfazem 85,6% de todos os sais dissolvidos na água do
mar. Devido às suas notáveis qualidades solventes existem, solubilizadas na água do mar,
para além do cloro e do sódio, quase todas as substâncias presentes no planeta. Por isso,
todos os elementos da Tabela Periódica, incluindo os elementos raros e os metais
preciosos (Ag, Au, Pt, etc), podem ser detectados na água do mar, embora cada um deles
em proporções diferentes. Na Figura 10 apresenta-se a Tabela Periódica com a
classificação dos diferentes componentes da água do mar.
Na Figura11 apresenta-se a abundância, em escala logarítmica (log ppb), de todos
os elementos da tabela periódica em função do número atómico e na Tabela 3 a
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concentração dos diferentes elementos (mg/l), por ordem decrescente da sua abundância,
bem como a massa total desses elementos existente nos oceanos.
Figura 10 – Classificação dos elementos existentes na água do mar
(Sociedade Portuguesa de Química)
Figura 11 – Abundância dos elementos na água do mar em função do números atómico
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TABELA 3 -COMPOSIÇÃO DA ÁGUA DO MAR
As concentrações dos elementos no oceano têm, devido à sua reactividade, uma
grande gama de concentrações. Somente 14 desses elementos (O, H, Cl, Na, Mg, S, Ca,
K, Br, C, Sr, B, Si e F) têm concentrações superiores a 1mg/l (= 1 ppm). A maior parte
destes elementos, à excepção do C e do Si são elementos que não reagem nem química
nem biológicamente.
Para se perceber os processos físicos, químicos e biológicos que ocorrem no
oceano e na vida marinha é importante ter um conhecimento básico da química da água
do mar. As substâncias que nela se encontram dividem-se em cinco grandes categorias:
-
Substâncias ou Sais dissolvidos – nesta fase destacam-se as substâncias
inorgânicas dissolvidas.
-
Gases – os gases dissolvidos na água dividem-se em gases conservativos (N2,
Ar, Xe) e gases não conservativos (O2 e CO2).
- Sólidos ou Partículas em Suspensão - substâncias que não passam através de
um filtro com uma porosidade de 0.45 µm). Estes materiais sólidos podem ser
particulas de natureza orgânica (detritos de plantas) ou partículas inorgânicas
(minerais).
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-
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Colóides – substâncias que atravessam um filtro com uma porosidade de 0.45
µm mas não estão consideradas substâncias dissolvidas – e podem ser
orgânicas e inorgânicas.
A diferença existente entre colóides e substâncias dissolvidas baseia-se apenas
numa convenção (a passagem através de um filtro com uma porosidade de
0.45 µm) e a filtração depende das condições operativas. Na Tabela 4
apresentam-se exemplos das diferentes dimensões das partículas.
Tabela 4 - Classificação por tamanho das partículas
Classe
Diâmetro das partículas (µm)
Sólidos
≥ 0,1
Coloides
0,001 a 0,1
Soluto
≤0,001
Na Tabela 5 apresentam-se exemplos da distribuição dos diferentes elementos
presentes na água do mar pelas diferentes categorias.
Os sais dissolvidos na água do mar dividem-se, como se referiu anteriormente, em
principais (concentração da água do mar > 1 mg/l ≈ 0.05a 75 mM) e secundários
(concentração da água do mar < 1 mg/l ≈ < 0.05 mM).
Tabela 5 - Composição Química da Água do Mar por ordem de abundância
(adaptado de Libes, 1992)
Categoria
Exemplos
Iões Principais
Cl-, Na+, Mg2+, SO42-,
Concentração
nM
Ca2+, K+
Iões Secundários
HCO3-, Br-, Sr2+, F-
Gases
N2, O2, Ar, CO2, N2O, (CH3) 2S,
µM
nM a mM
H2S, H2, CH4
Nutrientes
NO3-, NO2-, NH4+, PO43- H4SiO4
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µM
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Ni, Li, Fe, Mn, Zn, Pb, Cu, Co, U,
Metais
< 0,05 µM
Hg
Compostos orgânicos dissolvidos
Aminoácidos, ácidos húmicos
Coloides
Espuma, flocos
Particulas em Suspensão
Areia, tecidos mortos, organismos
ng/l a mg/l
≤ mg/l
µg/l a mg/l
marinhos, dejectos
São dez os componentes principais da água do mar. Estes iões encontram-se na
água do mar em concentrações superiores a 1 mg/l e correspondem a 99% dos iões
dissolvidos na água do mar. São eles: cloro,
sódio,
magnesio,
enxofre, cálcio,
potássio, bromo, estroncio, boro e o fluor. Como foi referido anteriormente, estes
elementos não reagem nem química nem biologicamente e estão presentes na água do
mar em proporções constantes relativamente uns aos outros e em relação ao teor total de
sais existente na água do mar. As suas concentrações são apenas alteradas por processos
físicos e só estão sujeitas a variações espaciais e temporais. Por esta razão estes
elementos desidnam-se iões conservativos.
físicos e só estão sujeitas a variações espaciais e temporais. Os processos físicos que
podem alterar as concentrações dos componentes principais da água do mar encontram-se
na Tabela 6
Tabela 6 – Factores que podem alterar a composição dos elementos principais
da água do mar
Evaporação
Precipitação
Congelação
Descongelação
Difusão molecular de iões entre massas de água de salinidade diferentes
Movimentos turbolentos entre massas de água de diferentes salinidades
Advecção
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Por esta razão estes elementos designam-se por iões conservativos. A sua abundância
relativa encontra-se na Tabela 7. O facto dos componentes principais da água do mar
existirem em proporções constantes designa-se por Lei de Marcet ou por Lei das
Proporções Constantes.
Devido à sua abundância os constituintes principais da água do mar têm um
elevado número de cargas positivas e negativas o que faz com que as reacções químicas
na água do mar se comportem como reacções termodinâmicas não ideais. Os constituintes
principais da água do mar são também importantes uma vez que o seu comportamento
conservativo permite que sejam utilizados como traçadores de massas de água.
Tabela 7 - Tabelas das proporções constantes
Os outros elementos, os secundários, encontram-se na água do mar em
quantidades muito pequenas (< 1 mg/l ≈ 50 µM), mas nem por isso deixam de ter uma
importância fundamental. Aqueles que se encontram em concentrações inferiores a 0.05 e
a 50 µM são designados por elementos secundários e os que se encontram em
concentrações entre 0.05 a 50 nM por vestigiários ou em traço. A maior parte dos
elementos em traço são metais. Alguns destes metais desempenham um papel importante
nos sistemas enzimáticos dos organismos marinhos. Estas substâncias não estão
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presentes, na água do mar, em proporções constantes pois as suas concentrações são
alteradas por processos químicos e biológicos que ocorrem nos oceanos e nos seus
sedimentos. Este compostos químicos têm, por isso a designação de não conservativos.
Assim, segundo a sua aptidão para reagirem química e biologicamente os
elementos presentes na água do mar dividem-se em dois grupos:
- Conservativos – permanecem na água do mar em proporção constante e só são
efectados por processos físicos
- Não conservativos- intervêm na água do mar em processos químicos e
biológicos
A interacção dos iões dissolvidos na água do mar pode levar à formação de pares
iónicos que influenciam as características da água do mar. Fazem com que a água do mar
seja capaz de conduzir facilmente a corrente eléctrica. A condutividade eléctrica depende,
por isso, da concentração dos iões presentes na água. Por outro lado, a formação de
sulfato de magnésio, por exemplo, influência a propagação do som.
Gases dissolvidos
Para além de iões dissolvidos, existem na água do mar todos os gases existentes
na atmosfera terrestre dos quais se destacam: N2, Ar, He, Ne, Kr, Xe, O2, CO2, H2,
Amónia, Anidrido sulfuroso e em alguns casos Metano, sendo os mais importantes o
oxigénio e o anidrido carbónico.
Os gases principais que se encontram na atmosfera - N2, O2, Ar e CO2 são
também os principais gases que se encontram na água do mar. A concentração destes
gases nas águas superficiais representa uma situação de equilíbrio entre a atmosfera e a
superfície do mar. No entanto a proporção destes gases na atmosfera é diferente da
existente na água do mar como se pode ver na Tabela 7.
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Tabela 8 - Concentração e valores de saturação dos gases atmosféricos existentes
na água do mar
Concentração na
Gás
Concentração na
atmosfera
Volume
água do mar
Volume
(ml/l de ar)
%
(ml/l de água)
%
Azoto
780,9
78,08
13
63,6
Oxigénio
209,5
20,94
2-8
33,4
Argon
9.32
0,93
0,32
1,6
Anidrido Carbónico
0,3
0,03
50
1,4
Neon
182 x 10-4
1,8 x 10-4
Hélio
52 x 10-4
5,0 x 10-5
Cripton
10 x 10-4
6,0 x10-5
Xenon
8 x 10-5
7,0 x 10-6
O azoto é o mais abundante dos gases dissolvidos na água do mar. Representa cerca 78%
de volume na atmosfera e uma percentagem menor na água do mar (63,6%). O oxigénio,
o segundo gás dissolvido mais abundante na água do mar, apresenta uma percentagem em
volume de 33,4%. Por outro lado o anidrido carbónico é o gás que apresenta no oceano
uma quantidade superior à existente na atmosfera
Os gases nos oceanos podem ser provenientes de três fontes: a) a atmosfera
terrestre, b) a actividade vulcânica no fundo do mar e c) processos químicos, biológicos e
físicos que ocorrem no oceano.
A distribuição destes gases na água do mar é controlada por vários factores, tais
como a temperatura da água, a salinidade, a pressão hidrostática, as diferenças de
temperatura na interface atmosfera-oceano, processos de mistura, actividade biológica,
trocas de calor e actividade vulcânica.
Os gases N2, Ar e os gases nobres (He, Ne, Kr, Xe) no oceano classificam-se em
não reactivos ou conservativos. A distribuição destes gases só é afectada por processos
físicos e pelo efeito da temperatura ou da salinidade e, por isso, têm sido utilizados para
estudar os processos que ocorrem na interface atmosfera-oceano. A distribuição do He e
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do Kr. Por outro lado, tem sido usada para estudar os processos de troca na interface
sedimento-oceano.
O oxigénio e o anidrido carbónico são gases que estão envolvidos nos oceanos em
muitos ciclos biogeoquímicos de vários compostos. A plantas microscópicas flutuantes
conhecidas por fitoplancton contêm um pigmento verde, a clorofila, que lhes permite
absorver a energia solar e realizar a síntese do dióxido de carbono e da água para
produzirem compostos orgânicos e oxigénio. Esta reacção é a fotosíntese. Durante a
fotossíntese as plantas consomem o anidrido carbónico e produzem o oxigénio e durante
a respiração consomem o oxigénio e libertam o anidrido carbónico.
Fotosíntese
CO2 + H2O
CH2O + O2
Respiração
O oxigénio que se encontra dissolvido na água do mar é utilizado na respiração
dos animais aquáticos. Os animais, as bactérias e muitos miroorganismos heterotróficos
utilizam o oxigénio para respirar. Para além da produção de oxigénio in situ, o oxigénio é
introduzido no oceano através da atmosfera. A habilidade das águas superficiais de
dissolverem o oxigénio tem consequências importantes para a vida nos fundos oceânicos.
Uma vez que a fotossíntese se restringe à zona eufótica (zona do oceano onde penetra a
luz). A única fonte de oxigénio nas zonas profundas do oceano resulta do afundamento de
águas superficiais ricas em oxigénio.
Na Figura 12 apresenta-se um exemplo da distribuição do oxigénio dissolvido no
oceano.
Figura 12 - Distribuição vertical do Oxigénio dissolvido no oceano (Pinet 2003)
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O anidrido carbónico também é trocado entre a superfíicie do oceano e a
atmosfera. O seu teor que na atmosfera é cerca de 50 vezes inferior ao da água do mar,
afecta directamente o clima mundial e a sua concentração na atmosfera tem vindo a
aumentar durante nos últimos anos.
A maior proporção de carbono nos oceanos ocorre no sistema carbonato. e
envolve os seguintes equilíbrios:
CO2(g) ⇔ CO2(aq)
CO2(aq) + H2O ⇔ H+ + HCO3HCO3- ⇔ H+ + CO32Ca2+ + CO32- ⇔ Ca CO3(s)
Fotosíntese
CO2 + H2O
CH2O + O2
O anidrido carbónico entra no oceano através da interface ar/mar e participa em diferentes
processos químicos. É também utilizado pelas plantas na productividade primária. A maior parte do
carbono que existe no oceano abaixo da termoclina (variação brusca da temperatura em função da
profundidade) é depois incorporado nas rochas carbonatadas. As plantas marinhas têm também sido
responsáveis pela sequestração de uma grande quantidade de carbono nos sedimentos.
Este sistema é muito importante pois regula o pH da água do mar e controla a circulação
do anidrido carbónico entre a biosfera, a litosfera, a atmosfera e os oceanos. O interesse
recente no sistema carbonato teve na origem o chamado "efeito de estufa". Uma vez que
o anidrido carbónico absorve energia nos infravermelhos este aumento pode fazer com
que a temperatura da terra aumente e possa eventualmente provocar o degelo das
camadas polares. O aumento da concentração de anidrido carbónico na atmosfera está
relacionado com a queima de hidrocarbonetos (carvão, petróleo e gás natural), a produção
de cimento e com a incapacidade dos oceanos de reterem a mesma quantidade de
anidrido carbónico devido à diminuição da sua productividade.
pH da água do mar
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Além disso a água do mar contém em solução iões de hidrogénio (H+) e iões
hidróxido (OH-). A sua abundância é determinada pela acidez e a alcalinidade da água. A
solução que contém mais protões do que iões hidróxido é ácida e portanto o valor de pH
< 7. Por outro lado a solução que contém mais iões hidróxido do que protões é alcalina e
tem um pH>7. A água pura tem um pH 7 e é neutra enquanto que a água do mar tem um
pH que varia entre 7,5 e 8,4 e é ligeiramente alcalina.
Elementos secundários
A evolução da vida começou nas águas e devido à sua capacidade de dissolver
grande parte das substâncias presentes. Os mares continham um determinado número de
elementos que em determinada altura reagiram entre si para formar os primeiros
compostos orgânicos fundamentais, dando assim início ao processo da evolução.
Os vegetais fotossintéticos presentes na água necessitam dos chamados sais
nutritivos ou nutrientes para o seu crescimento e desenvolvimento. Esses sais nutritivos
são os fosfatos, os nitratos e os silicatos
O fitoplacton marinho (plantas marinhas unicelulares) tem necessidade de certas
quantidades vestigiárias de determinados elementos para o seu crescimento. Esses
elementos também se designam de nutrientes
e são utilizados pelas plantas até se
tornarem limitativos, altura em que o processo de crescimento é inibido. O
micronutrientes mais importantes são o azoto e o fósforo.
Estes organismos têm tido um grande impacto nos ciclos biogeoquímicos marinhos dos
elementos biolimitantes, tais como o azoto, o fósforo e a silício. Estes elementos fazem
parte dos elementos secundários e a sua distribuição na água do mar e nos sedimentos é
também influenciada para além dos processos biológicos por factores de natureza física,
tais como o movimentos da água o clima e pelo transporte destes elementos através dos
rios. Como resultado das interacções destes processos físicos e biológicos os elementos
biolimitantes têm concentrações mais elevadas nas zonas profundas dos oceanos do que
há superfície.
Outros componentes vitais na água do mar são o fósforo pois constitui um factor
limitante para o crescimento do fitoplâncton. O azoto e o silício são outros elementos
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indispensáveis para o crescimento das plantas marinhas. Estes três elementos designamse por nutrientes.
O azoto encontra-se na água do mar na forma de nitratos (NO3-), nitritos (NO2-) e amónia
(NH4+) e é indispensável para a formação dos aminoácidos.
O silício introduzido nos oceanos através dos rios é incorporado nas conchas de
organismos unicelulares como sejam as diatomáceas.
O cálcio é um elemento indispensável à formação de conchas de moluscos (bivalves e
gasterópodos), dos esqueletos dos vertebrados (peixes) e dos corais.
Alguns organismos (como as diatomáceas) têm frustulas siliciosas e tem
necessidade de utilizarem a sílica.
Metais
Os metais como o Cu, o Fe, Zn ligados às actividades biológicas são substâncias
necessárias ao seu desenvolvimento e são por isso designados por metais essenciais.
Devido à sua abundância os constituintes principais da água do mar têm uma
concentração muito elevada de cargas positivas e negativas o que faz com que as
reacções químicas na água do mar se comportem como reações termodinâmicas não
ideais. Os constituintes principais da água do mar são também importantes uma vez que o
seu comportamento conservativo permite que sejam utilizados como traçadores de
massas de água.
Os outros elementos, os elementos secundários, encontram-se na água do mar em
quantidades muito pequenas (< 1 mg/l ≈ 50 µM), mas nem por isso deixam de ter uma
importância fundamental. Aqueles que se encontram em concentrações inferiores a 0.05 e
a 50 µM são designados por elementos secundários e os que se encontram em
concentrações entre 0.05 a 50 nM por vestigiários ou em traço. A maior parte dos
elementos em traço são metais. Alguns destes metais desempenham um papel importante
nos sistemas enzimáticos dos organismos marinhos. Estas substâncias não estão
presentes, na água do mar, em proporções constantes pois as suas concentrações são
alteradas por processos químicos e biológicos que ocorrem nos oceanos e nos seus
sedimentos. Estes compostos químicos têm, por isso a designação de não conservativos.
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Assim, segundo a sua aptidão para reagirem química e biologicamente os
elementos presentes na água do mar dividem-se em dois grupos:
- Conservativos – permanecem na água do mar em proporção constante e só são
efectados por processos físicos
- Não conservativos- interveêm na água do mar em processos químicos e
biológicos
A interacção dos iões dissolvidos na água do mar pode levar à formação de pares
iónicos que influenciam as características da água do mar. Fazem com que a água do mar
seja capaz de conduzir facilmente a corrente eléctrica. A conductividade eléctrica
depende da concentração dos iões presentes na água. Por outro lado, a formação de
sulfato de magnésio, por exemplo, influência a propagação do som.
Gases dissolvidos
Para além de iões dissolvidos, existem na água do mar gases dissolvidos dos quais
se destacam N2, Ar, He, Ne, Kr, Xe, O2, CO2 sendo os mais importantes o oxigénio e o
anidrido carbónico.
A fonte principal destes gases para o oceano é a atmosfera. Os gases presentes no
oceano classificam-se em não reactivos ou conservativos e incluem N2, Ar e os gases
nobres (He, Ne, Kr, Xe). A distribuição dos gases conservativos tem sido utilizada para
estudar os processos que ocorrem na interface atmosfera-oceano. A distribuição do He e
do Kr tem sido usada para estudar os processos de troca na interface sedimento-oceano.
Os gases estão envolvidos em muitos ciclos biogeoquímicos. O ciclo
biogeoquímico da matéria orgânica é controlado, principalmente, pela fotossíntese e pela
respiração. Durante a fotossíntese as plantas consomem o anidrido carbónico e produzem
o oxigénio. Os animais, as bactérias e muitos micro organismos heterotróficos utilizam o
oxigénio para respirar. Para além da produção de oxigénio in situ o oxigénio é
introduzido no oceano através da atmosfera. a habilidade das águas superficiais de
dissolverem o oxigénio tem consequências importantes para a vida nos fundos oceânicos.
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Uma vez que a fotossíntese se restringe à zona eufótica. A única fonte de oxigénio nas
zonas profundas do oceano resulta do afundamento das águas superficiais.
O oxigénio que se encontra dissolvido na água do mar é utilizado na respiração dos
animais aquáticos.
O anidrido carbónico também é trocado entre a superficie do oceano e a
atmosfera. Este gás afecta directamente o clima mundial devido à sua participação no
“efeito de estufa”. A maior proporção de carbono nos oceanos ocorre no sistema
carbonato. Este sistema é muito importante pois regula o pH da água do mar e controla a
circulação do anidrido carbónico entre a biosfera, a litosfera, atmosfera e oceanos. O
interesse recente no sistema carbonato teve como resultado no "efeito de estufa" do
anidrido carbónico. O teor em anidrido carbónico na atmosfera tem vindo a aumentar no
século vinte. O aumento da concentração de anidrido carbónico na atmosfera está
relacionado com a queima de hidrocarbonetos (carvão, petróleo e gás natural) e na
produção de cimento. O anidrido carbónico entra no oceano através da interface ar/mar e
participa em diferentes processos químicos. É também utilizado pelas plantas na
productividade primária. A maior parte do carbono que existe no oceano abaixo da
termoclina é depois incorporada nas rochas carbonatadas.
Os organismos marinhos têm tido um grande impacto na evolução química do
planeta. A produção da matéria orgânica por organismos fotossintéticos tornou a
atmosfera rica em oxigénio. as plantas marinhas têm também sido responsáveis pela
sequestração de uma grande quantidade de carbono nos sedimentos.
Estes organismos têm tido um grande impacto nos ciclos biogeoquímicos
marinhos dos elementos biolimitantes, tais como o azoto, o fósforo e a sílica. A
distribuição destes elementos na água do mar e nos sedimentos são também influenciados
por factores de natureza física, tais como o movimentos da água o clima e os fontes
destes elementos através dos rios. Como resultado das interacções destes processos
físicos e biológicos os elementos biolimitantes têm concentrações mais elevadas nas
zonas profundas dos oceanos do que à superfície. As razões para estes fatos são
discutidas usando modelos que estimam o tempo de residência no oceano e os processos
de reciclagem desses elementos.
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O fitoplacton marinho tem necessidade de certas quantidades vestigiárias de
determinados elementos para o seu crescimento. Esses nutrientes são utilizados até se
tornarem limitativos, altura em que o processo de crescimento é inibido. Os
micronutrientes mais importantes são o azoto e o fósforo. Alguns organismos (como as
diatomáceas) têm frustulas siliciosas e tem necessidade de utilizarem a silica.
A evolução da vida começou nas águas e devido à sua capacidade de dissolver
grande parte das substâncias presentes. A água tem capacidade de dissolver mais
substâncias do que qualquer outro líquido. Os mares continham um deletrmiindado
número de elementos que em determinada altura reagiram entre si para formar os
primeiros compostos orgânicos fundamentais, dando assim início ao processo da
evolução.
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