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Módulo I: Motores de la Biosfera
Capítulo 13
El ciclo hidrológico 
Joaquim Ballabrera
Unitat de Tecnologia Marina, CSIC, Barcelona
joaquim@cmima.csic.es
3. Circulación Oceánica y 
Clima
Introducción
El agua es el único compuesto químico que puede 
encontrarse en sus tres fases (hielo, agua, vapor) en 
condiciones ambientales normales en nuestro planeta.
El agua se encuentra en movimiento constante en lo 
que se conoce como ciclo hidrológico o ciclo del agua.
El ciclo del agua se compone de: i) un conjunto de 
reservorios que contienen agua en alguna de sus fases; y 
ii) los flujos de agua entre reservorios.
El motor del ciclo del agua es la energía recibida del sol.
Los cambios de fase a lo largo del ciclo hidrológico 
movilizan grandes cantidades de energía termodinámica
(calores latentes).
Introducción
Condensación y congelación liberan calor, mientras 
que evaporación y descongelación acumulan similares 
cantidades de calor.
Evaporación tiene lugar principalmente en el océano y 
sobre las masas continentales. La evaporación transfiere 
calor latente a la atmósfera, que se libera cuando el vapor 
de agua se condensa.
El vapor de agua es el principal gas de efecto 
invernadero y absorbe radiaciones solares y terrestres. 
Las nubes afectan el balance radiativo.
EL CICLO DEL AGUA ES UNO DE LOS ELEMENTOS 
CRUCIALES DEL CLIMA TERRESTRE
El ciclo del agua
Reservorio es un concepto que representa un cierto 
volumen de agua que se halla en uno de los diferentes 
estadios del ciclo del agua. 
Algunos reservorios contienen agua dulce y son de vital 
importancia para su uso por animales y vegetales.
0,000040,0006Biosfera
0,00010,0017Ríos
0,0010,013Atmósfera
0,0050,065Humedad del suelo
0,010,125Lagos
0,689,5Agua freática
2,0529Hielos
97,251370Océanos
PorcentajeVolúmen*Reservorio
*(106 km3)
El ciclo del agua
El ciclo del agua no tiene principio ni fin, pero la mayor 
transferencia de agua es evaporación de agua oceánica. 
Océanos
Suelo
Atmósfera
E
 =
 3
61
1012 m3/year
P 
= 
32
4
P = 99
E = 62
E = 37
Hielos
Freática
Lagos
Ríos
Humedad
Biosfera
Peixoto and Oort (1991)
P :: ¿Qué porcentaje de la precipitación global tiene lugar en el océano?
Evaporación menos precipitación
3
2
Volumen lluviaP
Unidad área×tiempo
m m
m s s
= = =
El ciclo del agua
El tiempo de residencia es el tiempo promedio que 
una molécula de agua pasa en un mismo reservorio. Es 
una medida de la edad del agua en ese reservorio. 
Se estima a partir de dividir volumen entre transporte o 
mediante datación isotópica.
9 díasAtmósfera
2 – 6 mesesRíos
10.000 añosFreática profunda
100 – 200 añosFreática superficial
1 – 2 mesesHumedad del suelo
2 – 6 mesesNieve estacional
20 – 100 añosGlaciares
3.200 añosOcéanos
Tiempo de residenciaReservorio
P :: Calcular el tiempo de 
residencia del agua en el 
océano a partir de los datos 
siguientes:
Volumen : 1370 x 106 km3.
Flujo: 361 x 1012 m3/year.
El ciclo del agua
La edad del agua, su origen, e incluso su movimiento a 
través del ciclo del agua, puede medirse a partir de las 
proporciones isotópicas de las moléculas de agua. 
El oxígeno más habitual en aire, agua y suelo es 16O. 
(Sólo una molécula de cada 500 es 18O).
Al ser más ligero, 16O se evapora más, aumentando 
la concentración de 18O en el líquido restante.
El océano es rico en 18O; lluvia y nieve ricas en 16O.
A mayor temperatura, mayor cantidad de 18O que se 
evapora: Hielo con déficit de 18O indica que el agua se 
evaporó durante un periodo frío.
También se utiliza la datación por radiocarbono de las 
partículas orgánicas presentes en el reservorio. 
El ciclo del agua
A cada instante de tiempo, moléculas de agua 
abandonan la fase líquida mientras otras abandonan la fase 
gaseosa. El aire se satura cuando existe un balance entre 
las moléculas que se evaporan y las que se condensan.
Composición aire: 80% Nitrógeno, 20% Oxígeno, 1% vapor agua
El ciclo del agua
P :: ¿Qué pesa más, el aire seco o el aire húmedo?
Calcular el peso molecular aparente del aire seco y 
del vapor del agua. 
La composición del aire es aproximadamente: 80% 
Nitrógeno, 20% Oxígeno
Pesos atómicos: 
16O
14N
1H
Peso 
molecular
Elemento
El ciclo del agua
Ley de Dalton: La presión total del sistema es igual a la 
suma de las presiones que cada gas ejerce (presión 
parcial):
Composición aire: 80% Nitrógeno, 20% Oxígeno, 1% vapor agua
2 2 2
Ptotal N O H O dp p p p e= + + ≡ +
El ciclo del agua
Humedad específica: La cantidad de vapor en kg que 
hay en 1 kg de aire (seco y húmedo):
2 2
2
H O H O
d H O
M
q
M M
ρ
ρ
= =
+
d dp p e p p e= + ⇒ = −Ley de Dalton
Ley de gases ideales
2 2
2 0.622
d d d
H O H O
d
H O
p R T
e R T
R T
ρ
ρ
ρ
=
=
=
2
2
2
2
18.0 0.622
28.9
d
d
H O
H O
H Od
H O d
RR
M
RR
M
MR
R M
=
=
= = =
Ecuación de estado
2
0.622 1 0.378d H O
d d d
p e e p e
R T R T R T p
ρ ρ ρ
⎛ ⎞−
= + = + = −⎜ ⎟
⎝ ⎠
¿Qué le pasa a la densidad al aumentar la presión parcial de vapor, si p=cte.?
El ciclo del agua
Humedad de saturación: La máxima cantidad de vapor 
en kg que hay en 1 kg de aire (seco y húmedo). Es la 
humedad de equilibrio. Es función de la temperatura:
exp 0.622s
d
Le
R T
⎛ ⎞
∝ −⎜ ⎟
⎝ ⎠
Relación de 
Clausius-Clapeyron
Aire caliente puede 
albergar mayor 
cantidad de vapor de 
agua que aire frío
El ciclo del agua
Promedio anual de la humedad específica superficial (g/kg)
El ciclo del agua
Ecuación de balance del agua en el bucle terrestre:
o uS P E R R= − − −Almacenamiento
Precipitación
Evaporación
Escorrentía
superficial
Escorrentía
subterránea
Para grandes áreas, el promedio de escorrentía 
subterránea se suele despreciar :
{ } { } { } { }oP E S R− = +
El ciclo del agua
Ecuación de balance del agua en el bucle atmosférico:
0
( , , )
op dpW t q
g
λ φ = ∫Aguaprecipitable
humedad
específica
El promedio temporal del balance de agua en la 
atmósfera es:
divW E P
t
∂
+ = −
∂
Q
0
( , , )
op dpt q
g
λ φ = ∫Q uTransporte de aguaprecipitable
El ciclo del agua
Los ciclos del agua terrestre y atmosférico se hallan 
ligados por el término de evaporación menos precipitación: 
{ } { } { }div oW S Rt
⎛ ⎞⎧ ⎫∂
− + = −⎨ ⎬⎜ ⎟∂⎩ ⎭⎝ ⎠
Q
Flujos Zonales
El promedio anual del flujo zonal de 
humedad sigue (e influye en) el patrón de 
circulación general atmosférica.
0
op dpQ qu
gλ λ
= ∫
Flujos Zonales
Flujo zonal de humedad 
debido a torbellinos. 
Flujos Meridionales
El promedio anual del flujo meridional, pequeño comparado 
con el flujo zonal, es de vital importancia para mantener el 
balance global del agua.
0
op dpQ qu
gφ φ
= ∫
Flujos Meridionales
Flujo meridional de humedad debido a torbellinos: 
generalmente hacia los polos. Mismo transporte que el 
campo promedio.
Flujos Meridionales
La atmósfera no es la única que transporta agua de los 
trópicos hacia los polos: los océanos también.
Si el océano no transportara agua de zonas de P-E>0 a 
zonas de P-E<0, a la larga se crearía un déficit de agua en 
las latitudes medias. 
Flujos Meridionales
El ciclo del agua tiene un papel significativo en el 
transporte de calor hacia los polos. 
1 Sv (Sverdrup) son 106 m3 s-1 equivalente a 109 kg s-1
Calor latente de evaporación es L=2.5 106 J kg-1
Un flujo de 0.6 
Sv equivale a 
0.6 x 2.5 1015 W 
que es igual a
1.5 PW de calor 
latente.
Transporte entre cuencas
Existen grandes 
diferencias entre la 
cantidad de agua 
ganada y perdida (E-
P) en cada océano. 
El océano Pacífico 
es más dulce que el 
océano Atlántico. 
Transporte entre cuencas
Las diferencias de E-P entre cuencas requiere que exista 
un transporte de masa entre diferentes cuencas oceánicas. 
Análisis de observaciones sugiere que existe un flujo de 0.8 
Sv de agua dulce que sale del océano Pacífico norte hacia 
el océano Atlántico a través del estrecho de Bering . 
Transporte entre cuencas
Transporte de agua dulce (109 kg s-1).
Impacto en la dinámica oceánica
Cambios de E-P se traducen en cambiosen la 
concentración / dilución del contenido de sal de las aguas 
superficiales. 
Si la ecuación de estado del agua de mar se lineariza,
[ ]1 ( ) ( ) ,r r rT T S Sρ ρ α β= − − + −
el flujo de densidad debido a un flujo de E-P es
( )SJ S E Pβ= − Flujo halino de densidad
y el flujo de densidad debido a un flujo de calor es
TJ Qα= Flujo térmicode densidad
En general los efectos 
térmicos son más 
grandes que los 
efectos de E-P. Sin 
embargo, hay tres 
regiones del giro 
subtropical donde los 
efectos salinos son 
mayores. 
Ganancia de 
densidad
Schmitt et al. (1989)
Seguimiento del ciclo del agua
El satélite Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) de la 
ESA fue lanzado el 2 de noviembre de 2009. Esta misión, 
liderada por España y Francia, es la primera misión 
diseñada a medir en tiempo real la humedad del suelo y la 
salinidad en superficie. Los datos que proporcionará serán 
útiles para estimar la amplitud y variabilidad del ciclo del 
agua tanto sobre los océanos como en continentes.
Resumen
Evaporación y precipitación dan cuenta del 80% del los 
flujos de energía no radiativos entre océano y atmósfera.
Utilizando técnicas de análisis isotópico puede 
estimarse la edad y origen del agua en reservorios.
La celda más intensa del ciclo del agua tiene lugar 
sobre los océanos.
Variaciones geográficas de evaporación y precipitación 
tienen un impacto en diferencias de salinidad que influyen 
en la circulación termohalina.
El flujo de flotabilidad a través de la superficie océano-
atmósfera viene dado por el flujo de calor, excepto en 
unas pocas zonas donde el flujo de masa (E-P) juega un 
papel preponderante.