Universidad mayor de san andrés facultad de ingeniería
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Ciclo hidrológico  El agua existe en la Tierra en tres estados: sólido (hielo, nieve), líquido y gas (vapor de agua). Océanos, ríos, nubes y lluvia están en constante cambio: el agua de la superficie se evapora, el agua de las nubes precipita, la lluvia se filtra por la tierra, etc. Sin embargo, la cantidad total de agua en el planeta no cambia. La circulación y conservación de agua en la Tierra se llama ciclo hidrológico, o ciclo del agua. Cuando se formó, hace aproximadamente cuatro mil quinientos millones de años, la Tierra ya tenía en su interior vapor de agua. En un principio, era una enorme bola en constante fusión con cientos de volcanes activos en su superficie. El magma, cargado de gases con vapor de agua, emergió a la superficie gracias a las constantes erupciones. Luego la Tierra se enfrió, el vapor de agua se condensó y cayó nuevamente al suelo en forma de lluvia. El ciclo hidrológico comienza con la evaporación del agua desde la superficie del océano. A medida que se eleva, el aire humedecido se enfría y el vapor se transforma en agua: es la condensación. Las gotas se juntan y forman una nube. Luego, caen por su propio peso: es la precipitación. Si en la atmósfera hace mucho frío, el agua cae como nieve o granizo. Si es más cálida, caerán gotas de lluvia. Una parte del agua que llega a la superficie terrestre será aprovechada por los seres vivos; otra escurrirá por el terreno hasta llegar a un río, un lago o el océano. A este fenómeno se le conoce como escorrentía. Otro porcentaje del agua se filtrará a través del suelo, formando capas de agua subterránea, conocidas como acuíferos. Este proceso es la percolación. Tarde o temprano, toda esta agua volverá nuevamente a la atmósfera, debido principalmente a la evaporación. Fases del ciclo del agua El ciclo del agua tiene una interacción constante con el ecosistema debido a que los seres vivos dependen de este elemento para sobrevivir y a su vez ayudan al funcionamiento del mismo. Por su parte, el ciclo hidrológico presenta cierta dependencia de una atmósfera poco contaminada y de un cierto grado de pureza del agua para su desarrollo convencional, ya que de otra manera el ciclo se entorpecería por el cambio en los tiempos de evaporación, condensación, etc. Los principales procesos implicados en el ciclo del agua son:
Compartimentos e intercambios de Agua Hidrosfera El agua se distribuye desigualmente entre los distintos compartimentos, y los procesos por los que éstos intercambian el agua se dan a ritmos heterogéneos. El mayor volumen corresponde al océano, seguido del hielo glaciar y después por el agua subterránea. El agua dulce superficial representa sólo una exigua fracción y aún menor el agua atmosférica (vapor y nubes).
El tiempo de residencia de una molécula de agua en un compartimento es mayor cuanto menor es el ritmo con que el agua abandona ese compartimento (o se incorpora a él). Es notablemente largo en los casquetes glaciares, a donde llega por una precipitación característicamente escasa, abandonándolos por la pérdida de bloques de hielo en sus márgenes o por la fusión en la base del glaciar, donde se forman pequeños ríos o arroyos que sirven de aliviadero al derretimiento del hielo en su desplazamiento debido a la gravedad. El compartimento donde la residencia media es más larga, aparte el océano, es el de los acuíferos profundos, algunos de los cuales son «acuíferos fósiles», que no se renuevan desde tiempos remotos. El tiempo de residencia es particularmente breve para la fracción atmosférica, que se recicla muy deprisa. El tiempo medio de residencia es el cociente entre el volumen total del compartimento o depósito y el caudal del intercambio de agua (expresado como volumen partido por tiempo); la unidad del tiempo de residencia resultante es la unidad de tiempo utilizada al expresar el caudal. Energía del agua El ciclo del agua emite una gran cantidad de energía, la cual procede de la que aporta la insolación. La evaporación es debida al calentamiento solar y animada por la circulación atmosférica, que renueva las masas de aire y que es a su vez debida a diferencias de temperatura igualmente dependientes de la insolación. Los cambios de estado del agua requieren o disipan mucha energía, por el elevado valor que toman el calor latente de fusión y el calor latente de vaporización. Así, esos cambios de estado contribuyen al calentamiento o enfriamiento de las masas de aire, y al transporte neto de calor desde las latitudes tropicales o templadas hacia las frías y polares, gracias al cual es más suave en conjunto el clima. Balance del agua Balance hídrico Si despreciamos las pérdidas y las ganancias debidas al vulcanismo y a la subducción, el balance total es cero. Pero si nos fijamos en los océanos, se comprueba que este balance es negativo; se evapora más de lo que precipita en ellos. Y en los continentes hay un superávit; es decir que se precipita más de lo que se evapora. Estos déficit y superávit se compensan con las escorrentías, superficial y subterránea, que vierten agua del continente al mar. Efectos químicos del agua Erosión El agua al desplazarse a través del ciclo hidrológico, transporta sólidos y gases en disolución. El carbono, el nitrógeno y el azufre, elementos todos ellos importantes para los organismos vivientes, son volátiles y solubles, y por lo tanto, pueden desplazarse por la atmósfera y realizar ciclos completos, semejantes al ciclo del agua. La lluvia que cae sobre la superficie del terreno contiene ciertos gases y sólidos en disolución. El agua que pasa a través de la zona insaturada de humedad del suelo recoge dióxido de carbono del aire y del suelo y de ese modo aumenta de acidez. Esta agua ácida, al llegar en contacto con partículas de suelo o roca madre, disuelve algunas sales minerales. Si el suelo tiene un buen drenaje, el flujo de salida del agua freática final puede contener una cantidad importante de sólidos totales disueltos, que irán finalmente al mar. En algunas regiones, el sistema de drenaje tiene su salida final en un mar interior, y no en el océano, son las llamadas cuencas endorreicas. En tales casos, este mar interior se adaptará por sí mismo para mantener el equilibrio hídrico de su zona de drenaje y el almacenamiento en el mismo aumentará o disminuirá, según que la escorrentía sea mayor o menor que la evaporación desde el mismo. Como el agua evaporada no contiene ningún sólido disuelto, éste queda en el mar interior y su contenido salino va aumentando gradualmente.  Salificación de los suelos por evaporación Si el agua del suelo se mueve en sentido ascendente, por efecto de la capilaridad, y se está evaporando en la superficie, las sales disueltas pueden ascender también en el suelo y concentrarse en la superficie, donde es frecuente ver en estos casos un estrato blancuzco producido por la acumulación de sales. Cuando se añade agua de riego, el agua es transpirada, pero las sales que haya en ésta quedan en el suelo. Si el sistema de drenaje es adecuado, y se suministra suficiente cantidad de agua en exceso, como suele hacerse en la práctica del riego superficial, y algunas veces con el riego por aspersión, estas sales se disolverán y serán arrastradas al sistema de drenaje. Si el sistema de drenaje falla, o la cantidad de agua suministrada no es suficiente para el lavado de las sales, éstas se acumularán en el suelo hasta tal grado en que las tierras pueden perder su productividad. Éste sería, según algunos expertos, la razón del decaimiento de la civilización Mesopotámica, irrigada por los ríos Tigris y Éufrates con un excelente sistema de riego, pero con deficiencias en el drenaje. ESTADO CUANTICO DEL AGUA Muchos astrobiólogos creen que el agua es un ingrediente clave para la vida. Y no sólo porque la vida en la Tierra no puede sobrevivir sin ella. El agua tiene un extraño conjunto de propiedades que no comparte con el resto de compuestos químicos. Un ejemplo famoso es que el agua se expande cuando se congela, asegurando que el hielo flota en lugar de hundirse. Esto es importante debido a que, de no ser así, lagos y océanos se congelarían de abajo a arriba, haciendo que fuese difícil que sobreviviese y evolucionase la vida compleja. Éstas y otras propiedades son el resultado de la capacidad de las moléculas de agua de formar enlaces de hidrógeno entre sí y le da a estas moléculas propiedades muy especiales. Hoy, George Reiter de la Universidad de Houston y algunos colegas proponen algunas pruebas de que el agua es más extraña de lo que nadie hasta el momento había pensado. De hecho, llegan hasta decir que, cuando se confina a escala nanométrica, forma un tipo completamente nuevo de agua cuántica. El soporte de esto es que los electrones en las moléculas donante y el receptor de los enlaces de hidrógeno son indistinguibles, lo que significa que pueden viajar de una molécula a la siguiente. Cuando las moléculas se confinan de cierto modo, puede extenderse a lo largo de cierta distancia, en un sólido por ejemplo. Pero las moléculas de agua pueden confinarse también de otras formas. Y cuando sucede esto, la estructura electrónica del agua líquida se convierte en una red conectada. Esto genera una importante cuestión: ¿cómo difiere el comportamiento de las moléculas en esta red electrónica respecto al de las moléculas en agua normal que interactúan de una manera común? Reiter y compañía dicen haber medido las propiedades del agua confinada en el diminuto espacio dentro de los nanotubos de carbono a temperatura ambiente, y encontraron importantes diferencias. Han realizado esto llenando los nanotubos con agua y bombardeándolos con un intenso haz de neutrones en el Laboratorio Rutherford Appleton en el Reino Unido. La forma en que se dispersan los neutrones revela en momento de los protones dentro de los nanotubos. Resulta que los protones en este agua nano-confinada a temperatura ambiente se comportan de una forma totalmente distinta a como lo hacen en el agua normal. Los protones se sabe que son sensibles a los campos electrónicos a su alrededor. Por lo que cuando estos campos se forman en redes electrónicas inusuales, no es sorprendente que los protones se comporten de forma distinta. “Los desvíos de la distribución de momento de los protones de la del agua normal son tan grandes, que creemos que el agua nano-confinada puede describirse adecuadamente como la que está en un estado base cuántico diferente cualitativamente de la del agua normal”, comentan. Incluso sugieren que podría haber algún tipo de coherencia cuántica que se extiende a través de la red electrónica. De ser este el casi, debería ser posible medir cómo se produce la decoherencia en futuros experimentos. Esto es algo grande. Reiter y compañía eligieron los nanotubos de carbono debido a que son un análogo de las condiciones a las que se enfrenta el agua cuando pasa a través de los sistemas vivos, a través de canales de iones en las membranas celulares, por ejemplo. Los biólogos han sabido desde hace tiempo que el flujo a través de estos canales es de varios órdenes de magnitud mayor de lo que predice la dinámica de fluidos convencional. Tal vez este nuevo estado cuántico es la razón de esto. Reiter y sus colegas dicen que esta agua cuántica sólo puede existir cuando está rodeada de moléculas neutras tales como el carbono de los nanotubos, y no en presencia de materiales mucho más comúnmente estudiados, tales como membranas de intercambio de protones como Nafion. Está hecha de moléculas que conducen los protones de una forma totalmente diferente, y por lo tanto, previene la formación del agua cuántica. La implicación, por supuesto, es que las membranas de intercambio de protones usadas en todo, desde la producción de compuestos químicos a las células de combustible podría mejorarse drásticamente usando un material neutro basado en el carbono. De hecho, este fenómeno podría ser un factor clave en el propio mecanismo de la vida.  BIBLIOGRAFÍA http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_hidrol%C3%B3gico http://elprofesordeciencias.blog.com.es/2011/02/05/nuevo-estado-cuantico-del-agua-10519313/ |
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