Origen de los Océanos
El agua es una sustancia asombrosa que ha transformado la superficie de la Tierra de muchas formas: Erosión, tormentas, transporte y, en última instancia, vida. En la Tierra, los volátiles que se encuentran en las profundidades del manto fueron llevados a la superficie a través de un intenso vulcanismo explosivo, eventos que finalmente produjeron los océanos y la atmósfera. El agua es una molécula polar, que explica muchas de sus propiedades distintivas, incluida su temperatura de fusión relativamente alta, su capacidad para formar gotas de lluvia y la acción capilar en las plantas. De hecho, la Tierra no está sola en el universo como un lugar húmedo; los estudios de otros cuerpos, desde nuestros planetas vecinos hasta galaxias distantes, revelan un universo húmedo.
Océanos Terrestres
En todas las primeras etapas de la evolución de la Tierra, el calor fue el principal agente de cambio. El calor hizo que todo el planeta se derritiera y, por lo tanto, dividiera el núcleo de hierro más denso del manto y la corteza de silicato menos densos. El vulcanismo, también impulsado por el calor, separó de las rocas los volátiles que eventualmente se convertirían en océanos y atmósfera.
La historia más temprana de la Tierra está marcada por una sucesión de separaciones de elementos impulsadas por el calor. Fue debido al calor que la Tierra pasó una breve parte de su infancia como un mundo ennegrecido y cubierto de basalto. Pero esa fase no podría durar mucho en un planeta rico en volátiles. El globo estaba a punto de ser envuelto por una nueva capa de azul brillante nacida del volcán.
Podemos deducir una imagen general del enfriamiento inicial de la Tierra y la posterior liberación de volátiles para formar la atmósfera y los océanos, pero gran parte de lo que deducimos se reduce a especulaciones fundamentadas basadas en experimentos de laboratorio y modelos informáticos. Se sabe que casi ninguna roca ha sobrevivido del Eón Hádico.
Una cosa está muy clara: Con vulcanismo activo y abundantes volátiles, la Tierra no podría permanecer negra y seca por mucho tiempo. Los estruendosos respiraderos volcánicos arrojaron nitrógeno caliente, dióxido de carbono y vapor de agua a la atmósfera cada vez más espesa a tasas de muchos millones de toneladas por día.
Los elementos y compuestos atmófilos volátiles (Los átomos y moléculas que son gases en nuestra atmósfera) eran los mismos átomos y moléculas que formaron todos los diferentes hielos de la antigua nebulosa solar. De hecho, son los mismos átomos que contribuyen a todos los tejidos de tu cuerpo. Y esos volátiles han desempeñado muchos roles a lo largo de la historia de la Tierra, incluso en la Tierra Hadeana en rápida evolución.
El agua caliente jugó varios papeles cruciales en la evolución de rocas y minerales. Agua y dióxido de carbono mezclados con magma, lo que redujo significativamente la temperatura de fusión de las rocas y convirtió la roca líquida en una sopa sobrecalentada que ascendió más rápidamente a la superficie.
Una vez que el magma saturado de agua se acercó lo suficiente a la superficie, todos los gases disueltos se transformaron rápida y violentamente de líquido a gas en expansión. Las explosiones volcánicas masivas resultantes fueron como réplicas a escala de montaña de una lata de refresco caliente agitada. Las rocas, el magma y las cenizas se esparcieron por el campo.
Los fluidos ricos en agua asociados con los magmas jugaron otro papel clave: Disolvieron y concentraron todo tipo de elementos raros que no encuentran un hogar listo en los silicatos comunes que forman las rocas. Los elementos ligeros litio, berilio y boro se concentraron en la fase de agua líquida caliente.
Muchos de los elementos que forman minerales comunes similares a la sal también ingresaron a la fase acuosa: Sodio y cloro, así como flúor, azufre y potasio. También lo hicieron los elementos de metales raros como la plata, el oro y el uranio, y muchos más que eventualmente se concentrarían en los grandes cuerpos minerales del mundo.
A medida que los cuerpos de agua se acumulaban en volúmenes cada vez mayores, el agua comenzó a dar forma a la superficie de formas que los volcanes y meteoritos nunca pudieron. Los ríos rugientes cortan valles profundos mientras las olas rompientes devoran las costas. El agua se convirtió así en el principal agente de la erosión de las rocas, que produjo las primeras playas arenosas de la Tierra junto con acumulaciones cada vez más gruesas de cuñas de sedimentos cercanas a la costa. El agua se convirtió rápidamente en el arquitecto principal de la superficie de la Tierra.
Este enfoque en el agua, en los océanos y la atmósfera, puede parecer reflejar una visión bastante antropocéntrica. Volumétricamente, el agua es una fracción trivial de todo el planeta. Todos los océanos de hoy representan solo alrededor de dos centésimas del porcentaje de la masa total de la Tierra. La atmósfera es mucho menos que eso, aproximadamente una parte en un millón de su masa. Pero los océanos y la atmósfera siempre han ejercido y continúan ejerciendo una influencia desproporcionadamente grande en nuestro planeta. El H2O, tanto como cualquier sustancia química, hace de la Tierra lo que es hoy.
Las Propiedades del Agua
Los múltiples roles del agua en la historia de la Tierra son consecuencia de las propiedades químicas y físicas distintivas del H2O, el óxido de hidrógeno. El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica, mientras que el oxígeno es el octavo. Ninguno de los elementos tiene un número mágico de electrones, por lo que dos átomos de hidrógeno comparten sus electrones con un átomo de oxígeno. El resultado es la molécula de H2O en forma de “V”, con un átomo de oxígeno más grande flanqueado por dos protuberancias de hidrógeno más pequeñas, una disposición similar a las orejas de Mickey Mouse, en otras palabras.
Dada la propensión del oxígeno como aceptor de electrones, toma prestados los dos electrones de los dos átomos de hidrógeno y, por lo tanto, desarrolla una carga ligeramente negativa. Los dos átomos de hidrógeno desarrollan una carga levemente positiva correspondiente. Una consecuencia importante es que las moléculas de agua son polares, lo que significa que tienen extremos cargados eléctricamente positivos y negativos. Esa polaridad explica muchas de las propiedades y comportamientos distintivos del agua.
El agua es un excelente solvente porque los extremos positivo y negativo pueden ejercer fuertes fuerzas electrostáticas que tienden a separar otras moléculas. Es por eso que la sal de mesa, el azúcar y muchas otras sustancias químicas se disuelven tan rápidamente en agua. También es la razón por la que los océanos son salados. Las rocas pueden tardar mucho en disolverse parcialmente, pero durante millones de años acumulados, el agua del océano se ha enriquecido con prácticamente toda la tabla periódica de los elementos.
La asombrosa capacidad del agua para disolver y transportar otros compuestos químicos es lo que la convierte en un medio ideal para los orígenes y la evolución de la vida. Toda la vida conocida en la Tierra (Y algunos investigadores sostienen que toda la vida posible en el cosmos) depende del agua.
La polaridad de las moléculas de agua afecta dramáticamente las propiedades tanto del agua líquida como del hielo. Las moléculas de agua se unen fuertemente entre sí, ya que el lado positivo de una molécula de agua atrae los lados negativos de otras moléculas. Como resultado, el hielo es inusualmente fuerte para ser un sólido molecular.
El hielo también tiene una temperatura de fusión inusualmente alta para una molécula pequeña: El hielo no se derrite hasta los 0 grados Celsius (32 F), en comparación con los –77°C (–108 F) del amoníaco sólido (NH3); –78°C (–109 F) para el dióxido de carbono (CO2) sólido o hielo seco; y –183°C (–297 F) para metano (CH4).
Otra consecuencia de las fuerzas intermoleculares inusualmente fuertes del agua es su alta tensión superficial, que es una propiedad fascinante que permite a los pequeños insectos caminar sobre el agua. La tensión superficial también facilita la acción capilar, que es la capacidad del agua para elevarse contra la fuerza de la gravedad a través de los tallos de las plantas vasculares.
Otro fenómeno relacionado con la tensión superficial son las gotas de lluvia redondeadas, que adquieren sus formas mediante la fuerte atracción mutua de las moléculas de agua. Las gotas de lluvia son absolutamente vitales para mantener el ciclo del agua inusualmente rápido de la Tierra. Resulta que las moléculas apolares como el metano y el dióxido de carbono no pueden formar gotas fácilmente, por lo que simplemente flotarían en la atmósfera como una fina y penetrante niebla. La lluvia podría ser poco probable en un planeta sin una molécula atmosférica polar, por lo que el ciclo de los volátiles probablemente sería mucho más lento y ciertamente diferente en carácter.
La unión fuerte entre las moléculas de agua conduce a otra de las propiedades críticas y curiosas del agua. Resulta que el agua líquida es un 10 por ciento más densa que el hielo sólido, lo cual es extraño. En casi todos los demás compuestos químicos conocidos, el estado sólido es más denso, por lo que los cristales se hunden en su líquido. Esa situación es intuitivamente lógica, porque un empaquetamiento repetido de las mismas moléculas en un cristal contrasta con la distribución más aleatoria en un líquido.
Sin embargo, las moléculas de H2O en forma de “V” en realidad se empaquetan de manera más eficiente en su estado líquido aleatorio que en los cristales de hielo ordenados, y se siguen importantes consecuencias: El hielo flota. Si no fuera por este rasgo curioso, en lugar de formar una capa superficial relativamente delgada de hielo, muchas masas de agua se congelarían sólidamente, de abajo hacia arriba. La vida acuática se vería severamente desafiada en las regiones frías de un mundo tan helado, y el ciclo vital del agua ciertamente se detendría en seco una vez que todo fuera sólido.
Otra característica realmente interesante del agua, incluso la llamada agua pura, es que nunca es H2O pura. No importa qué tan cuidadosamente filtre o destile el agua, nunca está compuesta completamente de moléculas de H2O. Inevitablemente, una fracción muy pequeña de esas unidades de tres átomos se divide en dos unidades más pequeñas. Hay iones de hidrógeno con carga positiva, o hidrones, iones H+, que no son más que protones individuales sin electrones unidos. También hay grupos hidroxilo cargados negativamente, o moléculas –OH.
Debido a que los hidrones tienen cargas positivas, los hidrones se adhieren rápidamente al extremo de oxígeno más negativo de las moléculas de agua para producir H3O+ o iones hidronio. Entonces, el “agua pura” a temperatura y presión ambiente tiene hidroxilos negativos e hidronios positivos. Y estos componentes tienen que ocurrir en concentraciones iguales para mantener la carga eléctrica totalmente neutra, un requisito de cualquier líquido.
Resulta que la concentración de hidronio positivo y grupos hidroxilo negativos es aproximadamente una parte en 10 millones. En términos químicos, eso es 10-7 de un mol de hidroxilo e hidronio por litro de agua. Esta medida de concentración arcana se informa generalmente como una potencia de hidrógeno, o pH, de 7. La definición de pH es la siguiente: Es el logaritmo negativo de la concentración de iones de hidrógeno, expresada en moles de H+ por litro de solución.
Cuando se describe cualquier cuerpo de agua, y los océanos de la Tierra son un excelente ejemplo, un enfoque principal es la composición global, tanto el pH como el contenido de sal. Resulta que estas dos propiedades químicas están estrechamente relacionadas. El pH y la salinidad cambiantes de los océanos antiguos de la Tierra siguen siendo temas de debate.
Los estudios de muchos objetos en el espacio, desde galaxias antiguas y lejanas hasta planetas cercanos, revelan que el agua es una molécula abundante en todo el universo. Mercurio y Venus son mucho más secos que la Tierra, pero Marte tiene una cantidad importante de agua cerca de la superficie, así como su abundante presencia en los satélites naturales Europa y Encélado. Sin embargo, el estudio de la naturaleza y extensión de esos recursos en Marte tuvo que esperar hasta que una serie de sondas espaciales alcanzaran la superficie marciana, mientras que los satélites Europa y Encélado, bueno, aún no los visitamos, solo “hemos pasado” por su vecindario.
Referencias
Roberth M. Hazen
Science Matters: Achieving Scientific Literacy
Hazen et Al.
Hydrology: An Introduction
Wilfried Brutsaert
Valley et Al.
El origen de los continentes y océanos
Alfred Wegener