La ciencia del agua

Agua 

El agua nos conecta. Desde un punto de vista ecológico, de una u otra manera todo en la tierra se encuentra conectado. Los seres vivos dependen de un cierto ritmo y constancia en las condiciones externas para sobrevivir. Así mismo, nosotros junto con todo el resto de organismos, creamos un impacto y modificamos estas condiciones externas. Esta interdependencia crea el mundo que conocemos. Cada 22 de Marzo se celebra el día internacional del agua, momento que se puede aprovechar para recordar lo interesante, delicado y crucial para la vida que es este recurso. El presente artículo busca dar a conocer datos interesantes sobre el agua global y exaltar la importancia de cuidar de ella. 

El agua, es una substancia química interesante. Incolora, inodora, representando el 60% de nuestra composición corporal, indispensable para los procesos biológicos y la vida en la tierra [12]. Molecularmente es sencilla, compuesta de dos hidrógenos (+) y un oxígeno (-). La unión de moléculas con cargas opuestas la vuelve una molécula polar, con un lado positivo y otro negativo. Característica de gran importancia, ya que determina su interacción con otras moléculas [15].

Esta polaridad le permite formar enlaces relativamente fuertes con otras moléculas polares. Es por esto que las moléculas de agua tienen la tendencia a pegarse entre ellas, propiedad conocida como cohesión [15]. Esta propiedad es la que le permite a las plantas absorber el agua,  y nos ayuda a regular la temperatura de nuestro cuerpo [16]. Asimismo su polaridad convierte al agua en un solvente universal, es decir que puede romper los enlaces de múltiples sustancias. De esta manera es que se transportan nutrientes y oxígeno en plantas y de manera similar la sangre (siendo una sustancia de base acuosa) utiliza el mismo mecanismo para transportar oxígeno y otras sustancias en nuestro cuerpo [15]. 

El papel del agua en el mundo

Nuestro mundo se compone de cuatro sistemas o esferas superpuestas. Tres de estos sistemas corresponden a sustancias no vivas (abióticas) siendo estos la atmósfera, hidrosfera y litosfera. La cuarta esfera se llama biosfera y se refiere a los componentes bióticos o vivos del ecosistema. En otras palabras, podemos categorizar al mundo en aire, agua, tierra y organismo vivos. Estos sistemas se encuentran altamente relacionados y de esta interacción depende el equilibrio del planeta [4]. 

La hidrosfera comprende toda el agua del planeta, agua superficial, subterránea y el agua en la atmósfera [11]. Interactuando a traves del ciclo hidrológico, por medio del cual observamos la constante circulación entre el agua presente en la tierra y en la atmósfera [1].

Aproximadamente el 71% de nuestro planeta es agua. Los océanos son el principal reservorio del planeta y contienen aproximadamente 96.5 % del agua superficial [14]. Si entendemos el ciclo hidrológico como el fenómeno que conecta atmósfera y superficie terrestre, no es difícil imaginar el gran impacto que tiene el océano en los procesos globales. 

Este reservorio de agua salada es el colector de calor más grande del planeta, absorbiendo grandes cantidades de calor sin aumentar significativamente su temperatura. Guardando y liberando este calor durante largos periodos de tiempo, convirtiéndolo en un elemento esencial para la estabilización del sistema climático del mundo [3].

La regulación climática global se atribuye en parte al constante movimiento del agua. Los cambios en la marea como la fuerza del oleaje en la costa nos da una pequeña idea de este constante movimiento. No obstante, a nivel global el movimiento del océano es mucho más grande e importante para toda la vida en la tierra.  Factores como topografía del suelo oceánico y costero, temperatura, salinidad entre otros determinan la distribución y las corrientes del agua oceánica global. Estas corrientes oceánicas se dividen en dos, corrientes superficiales y corrientes de profundidades. Ambas son el resultado de diferentes causas, no obstante se encuentran intrínsecamente conectadas e influyen entre ellas, manteniendo el océano en movimiento. 

En mar abierto el movimiento de las corrientes superficiales (10% del agua) se da gracias a la fuerza del viento. Las corrientes de viento mueven consigo las capas superiores de agua. A su vez, cada “capa” de agua mueve la siguiente, siendo tal el efecto del viento en la superficie que su influencia se puede observar a 400 metros de profundidad.

La rotación de la tierra tiene un efecto directo sobre los vientos, dando origen a estas corrientes. Si la tierra no girara, la diferencia en presión movería el agua y aire de manera vertical desde el ecuador (presión baja) y hacia los polos (presión alta) y de regreso. Pero dada la rotación de la tierra se modifica este movimiento, desviando las corrientes hacia el polo norte en dirección este y aquellas que se dirigen al polo sur en dirección oeste. Este fenómeno es conocido como el efecto Coriolis. [2]

Observando el mundo desde el espacio, se puede ver cómo estas corrientes forman grandes patrones circulares (bucles) conocidos como giros (Gryres). Estos se mueven en dirección de las agujas del reloj en el hemisferio norte y al contrario en el hemisferio sur [8]. Esto es el resultado directo del efecto Coriolis. Transportando el agua y por consiguiente redistribuyendo la temperatura de la superficie oceánica en todo el mundo.  

Las corrientes profundas se mueven gracias a los cambios en la densidad del agua salada. Al acercarse al polo norte, la temperatura del agua disminuye, parte de esta agua se transforma en cristales de hielo.  Estos retienen agua pero no la sal, aumentando así la concentración de sal en el agua. Como resultado aumenta la densidad de las corrientes de agua fría y se hunden, mientras que las corrientes cálidas menos densas suben. 

Este movimiento vertical se conoce como circulación termohalina (Termo = temperatura; halina = salinidad). La circulación termohalina y las corrientes impulsadas por el viento se combinan, formando una corriente oceánica conocida como la cinta transportadora oceánica. Esta es la corriente más larga del mundo, conectando todo el planeta [9].

Para visualizar un modelo de esta corriente en movimiento pueden acceder a https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a000000/a003600/a003658/

El agua transportada se mueve pocos centímetros por segundo, por lo que a un grupo específico de agua puede tomarle miles de años realizar el recorrido a lo largo del planeta [6]. Sin embargo, es gracias a estos movimientos de nutrientes y re-distribución de temperaturas que existe la vida y la distribución actual de las especies descritas en el océano. El agua que surge de las profundidades es rica en nutrientes, y es la base del alimento para microorganismos que sustentan las cadenas alimentarias del océano. 

Como en tierra, la vida del mar se rige por la transferencia de energía entre organismos. Esto se conoce como redes tróficas. Básicamente la relación entre presa y depredador, que redistribuye energía por medio de consumo.  

En el océano, los nutrientes son la base de estas cadenas, y tienen varios orígenes. Los desechos fecales de varias especies, remanentes derivados de la muerte, descomposición parcial  y posterior hundimiento de organismos de la superficie y otros materiales de origen orgánico que llegan al fondo son conocidos como nieve marina. Esta es una de la maneras más significativas para transportar energía de las zonas superficiales fóticas (con penetración de luz) de alta producción a las zonas no productivas o afóticas [18]. 

Otra contribución importante al enriquecimiento del agua profunda son las fuentes hidrotermales. En el suelo oceánico existe el equivalente a volcanes sumergidos  conocidos como fuentes hidrotermales. Surgen en áreas donde las placas tectónicas se separan, y el agua oceánica entra en contacto con el magma. De este contacto se libera una sopa de elementos a altas temperaturas en el océano. Al tener contacto con el agua oceánica se da una cadena de reacciones que resultan en la transformación y deposición de metales preciosos y así mismo en la generacion de una nube de elementos que son transportados por las corrientes oceánicas [23]

Estas condiciones se vuelven un “hot spot” biológico, oasis químicos que permiten el desarrollo una gran diversidad biológica, donde las comunidades son extremadamente delicadas. Con composiciones comunitarias únicas, muchas veces endémicas, para sus diferentes regiones [24]. 

El aumento en demanda de aparatos tecnológicos, que requieren metales preciosos para su construcción han puesto una grave presión y preocupante interés en extraer metales de estas regiones del océano. Los procesos y maquinarias de extracción diseñados representan técnicas de recolección de material que destruirán habitats y comunidades enteras de organismos. Por la naturaleza de el ecosistema en las profundidades, esto podría representa la extinción de especies que dependen que las condiciones especificas de una fuente hidrotermal en particular [25]. Los efectos no se limitan a corto plazo, aun no hay suficiente evidencia de muchos otros efectos colaterales de estas actividades. Por ejemplo el levantamiento de sedimentos en el fondo oceánico a raíz de esta extracción podría llegar a tener impactos a escala global, modificando condiciones ecológicas delicadas [26].

En la superficie, el viento transporta nubes de polvo cargadas de elementos esenciales mar adentro. Por ejemplo, corrientes de aire pasan sobre áfrica y mueven hierro al océano, que es indispensable para la producción primaria de algas [19] que son responsables del 50% de la producción de oxígeno y captura de dióxido de carbono global [20]

Por otro lado, los ríos representan un papel importante para la vida oceánica.  Al desembocar, transportan carbono, silicio, nitrógeno, y fósforo a los océanos. Todos estos son elementos limitantes, y determinan la producción de algas [21]. Durante períodos específicos de cada año, el agua superficial se combina con las aguas enriquecidas en las zonas de surgimientos y habiendo  condiciones climáticas indicadas permite el crecimiento de algas marinas. Estos son la base de la cadena trófica, y generan lo que se conoce como la bomba biológica. Proceso biológico por el cual se secuestra carbono de la atmósfera, y es transportado al fondo del océano. El carbono es fijado en organismos por medio de fotosíntesis y transportado como material disuelto hacia la profundidad por las corrientes oceánicas [22]

Así mismo los ríos son el conductor principal de materiales derivados de actividades antropogénicas [21]. La mala gestión de desechos en tierra por décadas ha dado como resultado una contaminación visible, grande y preocupante. No obstante el manejo incorrecto de aguas residuales, abuso de agroquímicos en agricultura, vertimiento de desechos industriales, desvió o contención de ríos, entre otros representan graves problemas para el balance químico del planeta. 

Como se mencionó, el agua tiene la capacidad de retener calor de manera más efectiva que el aire, por lo que las corrientes oceánicas son en parte responsables de la redistribución del calor de todo el planeta [10]. Influenciando directamente en la formación de huracanes, tormentas tropicales, distribución de lluvia y cambios de temperatura en áreas costeras y en territorio continental. 

Por ejemplo, ENOS (El Niño Oscilación del Sur) es uno de los fenómenos climáticos más importantes del mundo, influyendo en la temperatura y precipitación global. Se puede dividir en dos fases opuestas (Niño y Niña) y una tercera neutra. Estos patrones son observados en una escala interanual, intercalados en periodos de  2-7 años  [5]. Por ejemplo, el ciclo del Niño representa un aumento en la temperatura de las aguas pacifico central ecuatoriales. Para Centroamérica este ciclo representa una reducción en la precipitación del área del pacifico y un aumento en las lluvias sobre el caribe. El patrón contrario sucede  durante ciclos Niña. 

Este año se reportó una probabilidad del 65% de ingresar en un ciclo Niña [17].  Para nosotros esto representa más lluvias en las costas del pacifico. Este tipo de cambios en la distribución de lluvia, representan impacto paras comunidades agrícolas, recarga de humedales y agua subsuperficial. Al igual que el cambio en la temperatura oceánica determina la cantidad de nutrientes disponibles mar adentro, impactando la producción en especies de importancia para comunidades pesqueras. 

La evidencia actual indica que el aumento de la temperatura global está ralentizando la velocidad de la cinta transportadora [7]. Al aumentar la temperatura total del agua, las diferencias en densidad disminuyen, reduciendo la fuerza con la cual las corrientes se mueven de forma vertical. Modelos oceánicos han demostrado cómo esta ralentización puede afectar sistemas climáticos globales y los grandes efectos negativos si esta corriente llegase a parar por completo [13]. 

Querido lector, quisiera terminar el artículo en un tono más personal. Hasta hace poco desconocía varios de los procesos globales descritos en este artículo. Al día de hoy aún me asombra la maravilla que es la conectividad del mundo. La ciencia avanza, y con cada paso que damos, incrementan pruebas de esta interconexión. Observando la delicadeza de estos procesos, tal vez tenemos la obligación de reflexionar sobre el impacto que tienen nuestras acciones en el mundo. Cada decisión que tomamos tiene un impacto, quizá pequeño a nivel personal, pero desde un punto de vista colectivo todo se magnifica. 

Creo que tenemos la responsabilidad de intentar, en la medida de lo posible, evaluar las acciones que tomamos. Esto puede hacerse por ejemplo desde hábitos comunes,  como ser consciente al ir de compras, apagar luces, cerrar chorros; hasta qué tanto pensamos en el ambiente cuando votamos en pro de políticas públicas. En un mundo tan conectado, nada pasa desapercibido. Es verdad que todas las cosas cambian, pero la transformación paulatina no es lo mismo que la destrucción por negligencia. El mundo es bello, cada vida es única y vale la pena cuidarlo.

Bibliografía

[1]Britannica. (n.d.). Water cycle. Retrieved from Britannica: https://www.britannica.com/science/water-cycle

[2]Coriolis Effect. (n.d.). Retrieved from National geographic : https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/coriolis-effect/

[3]DAHLMAN, L., & LINDSEY, R. (2022, JANUARY 12). Climate Change: Ocean Heat Content. Retrieved from NOAA Climate: https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-ocean-heat-content#:~:text=The%20ocean%20is%20the%20largest,a%20large%20increase%20in%20temperature

[4]Dempsey, C. (2020, MARCH 18). What are the Earth System’s Four Spheres? Retrieved from Geography Realm: https://www.geographyrealm.com/what-are-the-earths-systems/)

[5]IMN. (2022, MARZO 20). ENOS. Retrieved from Instituto Meteorológico Nacional Costa Rica: https://www.imn.ac.cr/enos

[6]Monique Messié, F. P. (2015). Seasonal regulation of primary production in eastern boundary upwelling systems. Progress in Oceanography, 1-18. Retrieved from https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S007966111400177

[7]NOAA. (2020, AUGUST 17). Climate Change: Ocean Heat Content. Retrieved from NOAA CLIMATE: https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-ocean-heat-content#:~:text=The%20ocean%20is%20the%20largest,a%20large%20increase%20in%20temperature

[8]NOAA. (21, FEBRUARY 26). What is a gyre? Retrieved from NOAA: https://oceanservice.noaa.gov/facts/gyre.html

[9]NOAA. (n.d.). Thermohaline Circulation. Retrieved from NOAA: https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_currents/05conveyor1.html#:~:text=Thermohaline%20circulation%20begins%20in%20the,meters%20of%20the%20ocean’s%20surface

[10]Raffaele Ferrari, D. F. (2011). What processes drive the ocean heat transport? Ocean Modelling, 171-186. Retrieved from https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2011.02.013

[11]School, W. S. (2018, JUNE 6). Where is Earth’s Water? . Retrieved from USGS: https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/science/where-earths-water

[12]School, W. S. (2019, MAY 22). The Water in You: Water and the Human Body . Retrieved from USGS: https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/science/water-you-water-and-human-body#:~:text=Up%20to%2060%25%20of%20the,bones%20are%20watery%3A%2031%25

[13]Sciences, C. A. (2017, JUNE 30). Oceans are warming rapidly, study says. Retrieved from Phys.org: https://phys.org/news/2017-06-oceans-rapidly.html

[14]USGS. (2019, NOVEMBER 13). How Much Water is There on Earth? Retrieved from USGS: https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/science/how-much-water-there-earth

[15]Sargen, Molly & Utter, Daniel  (2019, SEPTEMBER 26) Biological Roles of Water: Why is water necessary for life? Retrieved from Harvard University blog:  https://sitn.hms.harvard.edu/uncategorized/2019/biological-roles-of-water-why-is-water-necessary-for-life/#:~:text=Water’s%20extensive%20capability%20to%20dissolve,substances%20like%20oxygen%20or%20nutrients.

[16]TSilbajoris, Alex (2018, MAY17)How Does Water Stabilize Temperature? Retrieved from Sciencing:  https://sciencing.com/water-stabilize-temperature-4574008.html

[17] WMO  (2022, MARCH 1) El Niño / La Niña Update – February 2022 Retrieved from: World Meteorological Organization (WMO) https://public.wmo.int/en/media/news/el-ni%C3%B1o-la-ni%C3%B1a-update-february-2022#:~:text=The%20odds%20for%20La%20Ni%C3%B1a,by%20WMO%20Members%20and%20partners.

[18] Smithsonian Ocean Find your blue (2013, January ) Marine Snow: A Staple of the Deep Retrieved from:  https://ocean.si.edu/ecosystems/deep-sea/marine-snow-staple-deep

[19] Underwood, Emily (2020 JANUARY 3) The Complicated Role of Iron in Ocean Health and Climate Change Retrieved from: Smithsonian magazinehttps://www.smithsonianmag.com/science-nature/complicated-role-iron-ocean-health-and-climate-change-180973893/

[20] Gao G, Zhao X, Jiang M and Gao L (2021) Impacts of Marine Heatwaves on Algal Structure and Carbon Sequestration in Conjunction With Ocean Warming and Acidification. Front. Mar. Sci. 8:758651. doi: 10.3389/fmars.2021.758651 Retrieved from: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2021.758651/full

[21] Gomes HdR, Xu Q, Ishizaka J, Carpenter EJ, Yager PL and Goes JI (2018) The Influence of Riverine Nutrients in Niche Partitioning of Phytoplankton Communities–A Contrast Between the Amazon River Plume and the Changjiang (Yangtze) River Diluted Water of the East China Sea. Front. Mar. Sci. 5:343. doi: 10.3389/fmars.2018.00343 Retrieved from: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2018.00343/full#:~:text=Rivers%20are%20the%20primary%20conduit,nutrients%20required%20for%20phytoplankton%20growth .

[22]C.L. De La Rocha, U. Passow, 8.4 – The Biological Pump, Editor(s): Heinrich D. Holland, Karl K. Turekian, Treatise on Geochemistry (Second Edition), Elsevier, 2014, Pages 93-122, ISBN 9780080983004 , https://doi.org/10.1016/B978-0-08-095975-7.00604-5 . Retrieved from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079661119303829

[23NOAA, What is a hydrothermal vent Retrieved from: https://oceanservice.noaa.gov/facts/vents.html#:~:text=Underwater%20volcanoes%20at%20spreading%20ridges,springs%20known%20as%20hydrothermal%20vents.

[24]Osterloff Emily (2018, AUGUST) Hydrothermal vents: survival at the ocean’s hot springs Retrieved : https://www.nhm.ac.uk/discover/survival-at-hydrothermal-vents.html

[25]IUCN (2018, July) Deep-sea mining Retrieved from: IUCN, International Union for Conservation of Nature https://www.iucn.org/resources/issues-briefs/deep-sea-mining#:~:text=The%20scraping%20of%20the%20ocean,of%20ecosystem%20structure%20and%20function.

[26] Elizabeth Claire (2020 JULY 20) Sediment plumes from deep-sea mining could pollute vast swaths of the ocean, scientists say Retrieved from MONGABY: https://news.mongabay.com/2020/07/sediment-plumes-from-deep-sea-mining-could-pollute-vast-swaths-of-the-ocean-scientists-say/#:~:text=A%20new%20opinion%20piece%20suggests,the%20surface%20of%20the%20sea.