EL AGUA, QU COSA ES?

agua(del latnaqua); femenino.

1. Cuerpo formado por la combinacin de un volumen de oxgeno y dos de hidrgeno, lquido inodoro e inspido; en pequea cantidad incoloro y verdoso en grandes masas, que refracta la luz, disuelve muchas sustancias, se solidifica por el fro, se evapora por el calor y, ms o menos puro, forma la lluvia, las fuentes, los ros y los mares.

2. Cualquiera de los licores que se obtienen por infusin, disolucin o emulsin de flores, plantas o frutas que se usan en medicina y perfumera (agua de azahar, de colonia, de heliotropo, de la reina de Hungra, de rosas). (Diccionario de la Lengua Espaola,Real Academia Espaola.)

SIGUEN52 referencias a otros tantos vocablos del diccionario que aparecen en conjuncin con la palabra agua.Tambin varios matices idiomticos relacionados con el agua y expresiones que la invocan, por ejemplo "agua va!" (o, ms recientemente, "aguas"), con la que se avisaba a los transentes cuando desde alguna casa iban a echar a la calle agua o inmundicias.Otras expresiones, divertidas y sabias, son "ahogarse en un vaso de agua" (afligirse por motivos triviales), "coger el agua en un cesto" (trabajar en vano), "caer como el agua de mayo" (ser bien recibido), "echar agua al vino" (dulcificar la actitud), o "ms agua a los frijoles" (para que alcancen), "echar un jarro de agua fra" (desalentar), "estar con el agua al cuello" (sumamente apurado), "hacrsele a uno agua la boca" (ante algo delicioso), "llevar toda el agua a su molinito" (una persona que todo lo usufructa en su provecho), "ms claro que el agua" (algo evidente), "nadar (o navegar) entre dos aguas" (contemporizar con dos opiniones o tendencias opuestas), "parecerse como dos gotas de agua" (ser idnticos), etctera.Aqu no se trata de ampliar el conocimiento lexicogrfico arriba resumido, cosa por otro lado para m imposible de hacer, pues pocos temas me vienen a la cabeza sobre los que ms pueda escribirse. Adems no soy un experto ni con ese espritu emprend este trabajo. Mi propsito es poner al alcance del lector una informacin que se antoja comunicar: el agua es el elemento ms maravilloso que conozco y con un poco de las varias cosas que dir espero despertar su curiosidad para investigar an ms sobre este fascinante campo.Tales de Mileto, el filsofo griego del sigloVa.C., afirm que el agua era la sustancia original, de la cual todas las dems (tierra, aire y fuego) estaban formadas. Anaximandro, unos aos ms tarde, y otros filsofos despus, concluyeron que ms bien hay una cierta proporcin de fuego, aire, tierra y agua en el mundo, que cada uno lucha por extender su imperio y que se presenta la necesidad natural de restablecer el equilibrio. La consideracin de Tales lleva mucha verdad en el sentido de que en todo hay agua; de hecho, Isaac Newton, en el sigloXVII, escribi su tratadoDe Natura Acidorum,en donde sostena que todo cuerpo podra ser reducido a agua.En el agua se origin la vida y de ella sigue dependiendo. Esto, por cierto, sucede porque el agua es una sustancia completamente fuera de lo comn: es lquida en condiciones normales, cuando "debera" ser gaseosa, y su forma slida flota sobre su forma lquida, cuando "debera" ser al revs; su forma lquida semeja ms un slido que un lquido ordinario. Cuando se congela se forma el hielo, o mejor dicho, alguno de los hielos, pues hay nueve distintos. Vaya lo!Con la excepcin de productos exticos, el agua es el mejor disolvente que existe (de slidos, de lquidos y de gases). Si el agua no fuere as no podra sustentar la vida, pues gracias a esta propiedad conduce los nutrientes a los seres vivos y elimina sus desechos; adems, lleva el oxgeno a los seres acuticos.El 71 por ciento de la superficie de nuestro planeta est cubierto por ella; millones de toneladas, en forma de vapor, flotan en la atmsfera y sin embargo grandes regiones terrestres carecen de ella.Los seres vivos moran inmersos en el agua o en el aire. En su interior son, en gran medida, agua: en el agua se origin la vida y de ella sigue dependiendo.La enorme presin de la actividad humana sobre la disponibilidad de este recurso en los asentamientos humanos, los centros industriales y los tursticos, y en las zonas agrcolas, exige de un gran esfuerzo para proveerla en la cantidad y con la calidad adecuada. El consecuente problema de las aguas residuales es de magnitud comparable.Qu es el agua?, cmo existe en la naturaleza y cmo es utilizada por los seres vivos? Cmo llega y cmo sale de las ciudades? Conocer este elemento es necesario para apreciarlo, conservarlo y no deteriorarlo.Es por las propiedades del agua, en particular por su gran capacidad de disolver otras sustancias, que es tan fcil maltratarla... hacerla inservible para la vida.Para iniciar nuestra exploracin y descubrir sus curiosidades debemos tomar un poco de agua y jugar con ella.I.1. ALGUNOS EXPERIMENTOS PARA CONOCERLAEl agua existe en nuestro mundo en tres formas, slida, lquida y gaseosa. Un elemento tan importante para la vida merece un nombre para cada presentacin: el slido es el "hielo"; el lquido es "agua", as, nada ms; y el gas es "vapor", aunque las tres formas son qumicamente la misma cosa.

Figura 1. El hielo exhibe las lneas trazadas por el gas que escapa en el proceso de solidificacin (a). El vapor atmosfrico se condensa en las maanas sobre las superficies fras, como el cristal de un automvil (b). El lquido se evapora al dar los rayos del Sol sobre el tejabn hmedo (c). Las tres formas del agua estn presentes en nuestra vida diaria.En la naturaleza existe un cambio continuo entre cada forma (o "fase", como se le llama cientficamente) del agua. Cuando llueve, el vapor se precipita en forma de lquido, y cuando graniza el lquido en su descenso a la Tierra toma la fase slida. Cuando nieva privan unas condiciones de humedad y de temperatura del aire tales que el vapor se precipita como slido, en un proceso que los fsicos llaman sublimacin (en este caso inversa). Cuando hace mucho calor el agua lquida se evapora. En la naturaleza este continuo cambio es llamado el ciclo hidrolgico, al que seguiremos un poco ms tarde.El primer experimento que podemos hacer con el agua es hervirla; observemos con atencin: el recipiente ideal es uno de vidrio (cuide que sea resistente al fuego) pues as se podr observar el fenmeno por todos los lados. Al poco rato de puesta en el fuego, la masa cristalina del agua empieza a enturbiarse, debido a que las capas inferiores al calentarse se deslizan hacia arriba y dejan caer a las superiores, que son ms fras y pesadas. El movimiento, de tipo circular, se llama convectivo y sucede tambin en la atmsfera; por el mismo motivo las luces distantes parecen parpadear.Ms tarde empiezan a formarse burbujas, producto del desprendimiento de los gases disueltos en el agua (principalmente aire). El proceso se conoce como desgasificacin.Ya a punto de entrar en ebullicin se forman borbotones, combinacin de uno y otro efecto (conveccin y desgasificacin). Si dejamos hervir el agua por un buen rato, sta se enturbia, pues las sales que contiene disueltas se concentran en el lquido que queda. En resumen, el agua se mueve verticalmente por efecto del calentamiento, contiene gases disueltos, que son evidentes al desprenderse por causa del aumento de temperatura y, como tambin contiene sales que al hervir quedan disueltas en el lquido, es de suponer que el vapor estar libre de ellas. Esto ltimo tiene gran importancia tecnolgica, pues es una manera simple de obtener agua potable de la salada (que no lo es). Que el agua tiene movimientos convectivos y, sobre todo, que contiene oxgeno disuelto, es muy importante para la sustentacin de la vida acutica. La capacidad del agua de disolver y transportar sales es lo que la hace indispensable para todo tipo de vida; el contenido de sales, sin embargo, debe estar comprendido dentro de ciertos lmites, pues en exceso rompe el equilibrio celular y puede extraer las sales de las clulas y llegar a matarlas, paradjicamente deshidratndolas.

Figura 2. El fenmeno tan frecuente de "hacer hervir el agua", visto con detenimiento muestra todos los procesos que suceden: las turbulencias por el calentamiento, el desprendimiento de los gases disueltos y, finalmente, la ebullicin.Ahora juguemos con el hielo. Esta fase tiene interesantes propiedades; la ms espectacular es que el lquido aumenta su volumen al congelarse. La prueba ms sencilla es observar cmo el hielo desborda el nivel en una hielera (de las que hacen "cubitos" en el refrigerador). El aumento de volumen es tan grande y la presin ejercida es tan intensa que una botella cerrada dejada en el congelador puede estallar (experimento peligroso y no recomendable). Al aumentar el volumen del agua congelada su densidad disminuye y por esto el hielo flota; si ello no sucediese, los lagos y estanques se congelaran del fondo a la superficie eliminando toda la vida acutica. La presin ejercida por el hielo al expanderse puede romper un barco atrapado en los hielos del rtico.

Figura 3. Cuando el agua lquida se solidifica aumenta su volumen debido a la manera como se conglomeran las molculas. Esto se puede notar en una hielera.Otro fenmeno interesante es el del rehielo. Tomemos un cubo de hielo y coloqumoslo en la boca de una botella. Por medio de un alambre delgado (lo ms posible) suspendamos dos objetos pesados, por ejemplo dos tuercas, colgando de uno y otro lado del cubo. La presin que ejerce el alambre sobre el hielo har que ste se hunda, pero al ir pasando a travs, el hielo se congelar de nuevo de suerte que el alambre atravesar el cubo y ste al final quedar intacto. Lo que sucede es que el alambre funde el hielo y, como la temperatura se mantiene constante, el lquido se vuelve a solidificar.El agua tiene una curiosa estructura microscpica: a diferencia de un lquido normal, las molculas poseen una particular tendencia a agruparse en una especie de "redes". El siguiente experimento pone esto en evidencia: tomemos un vaso y llenmoslo hasta el borde, cuidando de no derramar una gota. Con sumo cuidado dejemos caer clips en el seno del agua. La superficie empezar a crecer, rebasando el nivel de la boca sin derramarse mostrando cmo el agua se adhiere al vaso. La explicacin es la fuerte cohesin de las molculas del agua. Ahora tomemos el vaso, esta vez sin llenar, y con cuidado depositemos el clip en la superficie: a pesar de su peso, flotar. La razn es la misma. Una variedad interesante de este experimento es realizarlo con agua caliente; entre mayor sea la temperatura ms difcil ser el experimento debido a que la cohesin molecular disminuye. Otra forma de disminuirla es por la adicin de un detergente: hay insectos que pueden caminar por el agua aprovechando el efecto de cohesin. Si capturamos uno de estos bichos, lo ponemos a caminar en la superficie del agua dentro de un frasco y aadimos detergente, llega un momento en que la pobre criatura se hundir como una piedra.

Figura 4. El clip puede flotar libremente en la superficie debido a la tensin superficial del lquido. En la antigedad las brjulas se construan con una aguja imantada que flotaba sobre una palangana con agua, aprovechando este fenmeno.Si tratamos de repetir los anteriores experimentos con otro lquido, por ejemplo alcohol, encontraremos que no es tan fcil: la cohesin de las molculas es mucho menor.Si tomamos dos pedazos de vidrio, mojamos sus caras interiores y luego los unimos, ser virtualmente imposible separarlos sin deslizarlos, pues la fuerza que se requerira para retirarlos si jalamos perpendicularmente es muy grande; si se dejan secar podrn separarse sin dificultad: la cohesin de las molculas del agua acta como fuerza sujetadora.

Figura 5. La tensin superficial se manifiesta en el soporte que ofrece la superficie del agua a los insectos.Si introducimos un tubo delgado en un recipiente con agua, sta "trepar"' por dentro de l; la razn? una combinacin de la cohesin de las molculas con su adhesin a las paredes del tubo: las fuerzas de adhesin entre las molculas del tubo y las del agua atraen a stas a las paredes del tubo y ello da una curvatura a la superficie del agua. Pero esta forma requiere ms energa que una superficie plana, as que la tensin superficial se encarga de contraer la superficie. El proceso se repite hasta que el peso de la columna de lquido impide que siga ascendiendo (por ello el experimento es ms fcil cuanto ms delgado sea el tubo).Las anteriores experiencias ponen de manifiesto algunas de las peculiares propiedades del agua, que veremos con mayor detalle ms tarde. El mensaje de este captulo es que el agua no es tan comn y corriente como a veces parece.I.2. LO QUE SE HAN PREGUNTADO LOS CIENTFICOSLos primeros pensadores reconocieron pronto que el agua es un elemento nico. Aristteles lo incluy entre los cuatro elementos bsicos, junto con la tierra, el aire y el fuego. As, como un elemento fue tratada hasta el sigloXVIII, cuando la tierra y el aire tambin dejaron de ser "elementos" y se reconoci que estaban compuestos de complejas mezclas de especies qumicas, y que el fuego es una manifestacin de la actividad qumica, no otro elemento. Cupo el honor en 1781 al cientfico britnico Jos Priestley de sintetizar al ltimo de los elementos aristotlicos, demostrando que, al igual que los dos primeros, tambin era una mezcla de especies qumicas. Antonio Lorenzo de Lavoisier en Francia y Enrique Cavendish en Inglaterra lograron descomponer el agua en sus dos componentes: "aire ordinario" (oxgeno) y "aire inflamable" (hidrgeno), estableciendo as los primeros pasos para su estudio cientfico.Desafortunadamente, la curiosidad cientfica, como todo en esta vida, tiene sus lmites, y siendo el agua un elemento omnipresente se concluy que poco ms haba que conocerle, as que el tema pas prcticamente al olvido para los grandes cientficos del sigloXIXy los de principios delXX. Por ejemplo, en la clsica teora de Debye y Huckel para interpretar las observaciones sobre las soluciones electrolticas, es decir, aquellas en donde los slidos disueltos adquieren cargas elctricas, casi nada del esfuerzo terico se dirige al agua, a la que se trata meramente como un medio en el que sucede la disolucin y se la caracteriza por una constante; esta teora, no obstante, est casi completamente basada en datos de soluciones acuosas.La realidad fsica es otra: el agua es un lquido extremadamente complejo, tanto as que mucha de la dificultad para el estudio de las soluciones deriva de que el disolvente ms accesible es precisamente el agua, que, lejos de ser un simple medio que pueda caracterizarse por una constante, interacta tan fuertemente con los solutos que sus caractersticas deben necesariamente ser tomadas en cuenta.Las propiedades del agua difieren mucho de las de los dems lquidos; es demasiado "slida", para ser un lquido ordinario. En 1891, H. H. V. Vernon postul que las molculas de agua se adheran unas a otras, confiriendo al lquido altas densidades. Guillermo Roentgen, descubridor de los rayos X, investig las propiedades del agua, y aventur en 1892 explicaciones cualitativas basadas en suposiciones moleculares. No obstante, ninguno de estos intentos despert mayor inters en la comunidad cientfica. En 1933 dos grandes investigadores de los lquidos, Juan Bernal y Roberto Fowler publicaron un interesante y hoy clsico artculo proponiendo el primer modelo plausible del agua lquida, en el que se sientan las bases de los modernos estudios sobre el tema. En aos subsecuentes se empezaron a medir con mayor sistematicidad sus propiedades. En 1940, N. E. Dorsey public una monografa intituladaPropiedades de la substancia agua ordinariaen la que describe los trabajos de los anteriores 50 aos y registra todas las anomalas que exhibe este lquido.Por el resto de esta dcada hubo mayor actividad cientfica alrededor del "agua ordinaria": se investigaron sus propiedades estructurales por medio de rayos X y luz infrarroja, as como por la transmisin de ondas sonoras. Se reconoci que las interacciones entre el medio acuoso y los solutos son fuertes y se inici la interpretacin en trminos de las ligaduras entre los hidrgenos y el oxgeno que forman la molcula del agua. La dcada de los aos cincuenta vio surgir un gran nmero de modelos fisicoqumicos; por fin en los sesenta el estudio del agua empez a ser un campo aparte: se reconocieron estructuras extraas, como asociaciones de molculas en cmulos dentro del seno del lquido; se investigaron con mayor profundidad las fuerzas moleculares que generan los hidrgenos del agua y cmo afectan stas las propiedades observables.Fue tambin en esta dcada cuando se formalizaron los estudios fisicoqumicos del agua, especialmente en el campo de la teora de las soluciones. As se empezaron a relacionar las observaciones macroscpicas con la interpretacin basada en las teoras microscpicas. Ello condujo a W. Kauzmann a sugerir un nuevo enfoque al estudiar el papel del agua en la conformacin de las protenas, lo que llam la atencin de los bioqumicos al peculiar lquido en el cual se produce la vida.En 1962, G. Nemethy y H. A. Scharega publicaron tres artculos en los que intentaron desarrollar un modelo basado en las consideraciones microscpicas de la mecnica estadstica. Sus mtodos y sobre todo la gran cantidad de parmetros que utilizaron han sido objeto de crtica, pero estos trabajos, aparte de mostrar la complejidad de la tarea, constituyen el primer intento de fincar una base cuantitativa en lo que hasta entonces haba sido un camino lleno de empirismo.El advenimiento de las modernas computadoras permiti abordar el estudio de la materia siguiendo nuevas rutas. Por medio de complejos programas de cmputo basados en la mecnica cuntica, llamados mtodosab initio(de principio), se han estudiado las interacciones entre las molculas de agua, investigando pares y tros de molculas. Con ello se espera una mejor comprensin de la forma en que se conglomeran las molculas y especialmente cmo influye la fuerte interaccin entre los hidrgenos.En la dcada de los sesenta el agua era ya un tema firmemente arraigado en la investigacin cientfica, pero no se pasaba mucho de ah, mas a la mitad de esa dcada el agua salt a los encabezados de los peridicos: sucedi que el profesor B. V. Deryagin, del Instituto Karpof de Fisicoqumica de Mosc, sorprendi a la comunidad cientfica al publicar un hallazgo de una nueva y extraa forma de agua que fue dada a llamar poliagua. Esta variedad se supona que llegaba a tener hasta 40% ms densidad que el agua ordinaria y que congelaba a -40 grados centgrados y segua siendo estable a los 500 grados. El descubrimiento fue recibido con escepticismo, pero la "comprobacin" por instituciones enEUAdesat gran entusiasmo por este compuesto, pues al permanecer lquida a altas temperaturas la hara un magnfico lubricante; adems, por su alta densidad podra servir como moderador en reactores nucleares.Todo esto, segn se demostr ms tarde, fue una mala interpretacin de las observaciones, y la poliagua pas a ser una ancdota cientfica ms.I.3. ESE EXTRAO ELEMENTO, TAN COMN Y POCO CORRIENTEEl agua es la sustancia ms extraordinaria. Casi todas sus propiedades parecen encontrarse al revs: es un lquido a temperatura ambiente cuando debera ser un gas; su forma slida (hielo) flota en su forma lquida; lejos de parecerse a un lquido normal en el que sus molculas se mueven con mucha independencia, en el agua existe un cierto orden colectivo, es decir, las molculas se "pegan" unas a otras y ello le confiere valores extremadamente altos en su viscosidad, tensin superficial y calores latentes de evaporacin y solidificacin. El agua disuelve una gran variedad de slidos, pero no reacciona qumicamente con ellos; por eso pueden purificarse las aguas contaminadas, aunque a expensas de mucha energa.En realidad poco se pone uno a meditar sobre estas discrepancias entre lo que es y lo que "debera" ser el agua, quiz por lo comn de esta sustancia. Adentrndose un poco en la ciencia del agua, uno descubre que las sutiles interacciones moleculares son las responsables de tan curioso comportamiento; resulta que es la particular asociacin de dos tomos de hidrgeno con uno de oxgeno lo que se traduce en las peculiaridades del agua; tal cosa no sucede con la molcula de cido sulfhdrico, dos tomos de hidrgeno y uno de azufre, que, desde el punto de vista qumico, podramos considerar una molcula "hermana" de la del agua.En efecto, el cido sulfhdrico es perfectamente "normal" desde todos los mismos puntos de vista por los que llamamos "anormal" al agua:1es gas a temperatura ambiente, su forma slida es ms densa que su forma lquida y el lquido posee muy poca estructura.Existen muchas y muy refinadas teoras para explicar sus propiedades: algunas pueden hacerlo con muchas de ellas pero ninguna con todas.Hay dos grandes caminos para investigar la materia: la teora microscpica y la teora macroscpica, llamada tambin fenomenolgica. La teora microscpica da alguna explicacin sobre el comportamiento de la materia, pero requiere de conceptos y matemticas complicadas. La termodinmica macroscpica ayuda mucho pero, aunque muy elegante, no permite realizar clculos detallados, as que para entender todas las propiedades hay que echar mano de una y de otra.El estudio de las propiedades fisicoqumicas es importante porque esclarece muchos de los misterios sobre el comportamiento de esta nada comn sustancia. La investigacin sobre la naturaleza molecular ha mostrado que una de las principales claves, quizs la ms importante, es laligadura de hidrgeno.El agua est formada por tres tomos, dos de hidrgeno (el elemento ms ligero) y uno de oxgeno, dispuestos en un ngulo de 105 grados, con el oxgeno en el vrtice; el ngulo no vara, ya est la molcula formando parte de un slido, un lquido o un gas. La distancia entre el tomo de oxgeno y uno de los de hidrgeno es de 0.96 angstrom (1 angstrom es igual a un cien millonsimo de centmetro).Los tomos estn formados por un ncleo que lleva prcticamente toda la masa del tomo, posee carga elctrica positiva y est rodeado por una nube de electrones de carga negativa. Para asociarse, los tomos forman o ceden electrones hasta que adquieren la configuracin ms estable.En una molcula de agua el oxgeno se liga con dos hidrgenos. El hidrgeno es el elemento ms ligero; se halla formado por una sola partcula en el centro (un protn) y un electrn que lo rodea, as que al unirse el oxgeno a los hidrgenos pasan dos cosas: los electrones forman una nube alrededor de los tres ncleos, unindolos, pero los dos ncleos de hidrgeno se repelen. El resultado es que se forma el ngulo referido de 105 grados con el cual la molcula completa alcanza la mxima estabilidad.

Figura 6. La frmula qumica del agua es H2O, que quiere decir que dos tomos de hidrgeno se ligan a uno de oxgeno formando un ngulo de 105, como se muestra en la figura.La nube electrnica, por su parte, adquiere la forma que se muestra en la figura, que puede imaginarse contenida dentro de un cubo, con el oxgeno en el centro, los hidrgenos en los vrtices opuestos de una cara y unas protuberancias que se proyectan en la cara opuesta, que son las nubes electrnicas. Estas nubes atraen a los tomos de hidrgeno de otra molcula de agua y dan lugar a lo que se conoce como unaligadura de hidrgeno.

Figura 7. Los tomos tienen unasnubesde electrones que los rodean; al formarse la molcula de agua estas nubes engloban los tres tomos, dando lugar a la forma caprichosa que se muestra en la figura. ste es el origen de laligadura de hidrgeno,responsable de las propiedades del agua.No es el agua la nica molcula que tiene ligaduras de hidrgeno: el amoniaco, el cido fluorhdrico y los alcoholes tambin la tienen. Lo que parece ser nico en la estructura del agua es que las molculas fcilmente se aglomeran en redes tridimensionales, con muchos huecos, cuya geometra depende del ngulo que forman los tres tomos componentes. Esto le confiere gran cohesin.Esta estructura, por cierto, se mantiene en las fases lquida y slida. Para un fsico tal informacin es muy importante, pues puede relacionarla con las propiedades que observamos del agua. Por ejemplo, si en vez de estar los tomos dispuestos en un ngulo de 105 grados estuvieran alineados, el agua no sera tan buen solvente como en realidad lo es, y si as fuera, entre otras cosas no podra acarrear los nutrientes en los seres vivos. Si no tuviera la estructura que tiene no podra almacenar el calor en tan grandes cantidades como lo hace (la propiedad se llama capacidad calorfica) y as no servira para regular la temperatura de los seres que vivimos inmersos en un medio de aire, en donde las variaciones externas de temperatura son tan altas.Los tomos de los extremos (los hidrgenos) interactan fuertemente con las molculas de agua vecinas. En su fase gaseosa las molculas estn muy separadas para sentir entre ellas un efecto muy importante; as, encontramos normalmente molculas aisladas y ocasionalmente dos molculas unidas, pero en la fase lquida y en la slida estas interacciones son muy importantes.Al congelarse, las molculas de agua forman rpidamente estructuras ordenadas. A la presin atmosfrica ordinaria, cuatro molculas se asocian en la forma de un tetraedro, las que a su vez conforman una estructura de anillos hexagonales.sta, por cierto, es una estructura muy poco empacada (con muchos huecos); es por ello que el agua slida es menos densa que el agua lquida y por eso el hielo flota en el agua ordinaria.

Figura 8. El hielo tiene una estructura cristalina muy ordenada en donde cuatro molculas de agua forman tetraedros que se unen entre s. Las cavidades de esta estructura explican por qu la fase slida es menos densa que la lquida.Esta peculiar estructura tan fofa rige la variacin que tiene la densidad del agua. Como en cualquier sustancia, sta cambia con la temperatura, pero de una manera singular. A cuatro grados centgrados, muy cerca del punto de congelacin, la densidad del agua alcanza su mximo valor. Esto no se observa en ningn otro lquido comn, ni tampoco en los slidos comunes. Sucede en sustancias de estructura elstica semejantes al hule.Por esta misma razn, las masas de agua se congelan de la superficie hacia abajo. No quisiera dejar pasar esta observacin sin reflexionar un poco sobre ella. Si el agua no fuese as, los ocanos se congelaran en las zonas fras del fondo hacia arriba. Ello hara que durante el verano se deshelaran solamente las capas superficiales del mar; el fondo seguira congelado y fro. Con el tiempo cada vez menos agua fluira hacia los climas templados e ira perdiendo calor. Al fin todos los mares se convertiran en hielo.La expansin del agua al congelarse tiene otro papel muy interesante en la naturaleza. En su forma lquida, penetra en los pequeos intersticios de las rocas por un efecto que discutimos en el captulo de experimentos con el agua cuando se mencion que asciende por un tubo pequeo introducido en ella y que se llama presin capilar y es consecuencia de su alta tensin superficial. Cuando se congela ejerce presiones tan altas que llega a fracturar las rocas, y de esta manera las convierte en tierra.

Figura 9. El agua penetra a travs de las fisuras de las rocas; al solidificar y aumentar su volumen ejerce una gran presin sobre la roca hasta que la desmorona.En su fase lquida, la tenaz interaccin entre las ligaduras de los hidrgenos hace que se preserve un poco de la estructura del slido; a ello me refera con la idea del "orden colectivo". Siendo as, "romper" la superficie del lquido es difcil, como cualquiera que haya cado en una alberca podr haberse dado cuenta: sta es una manifestacin de la tensin superficial.La estructura del agua lquida es tan extremadamente ordenada que la energa que se le suministra al calentarla se "absorbe" por las vibraciones moleculares, aceptando grandes cantidades de calor antes de elevar su temperatura (que representa el movimiento molecular). Inversamente, al perder energa su temperatura disminuye lentamente. Esta propiedad se llama calor latente, que para el agua es muy grande. Las implicaciones de este hecho son muchas y muy importantes.Por ejemplo, para disipar la gran cantidad de calor que genera el motor de un automvil se utiliza agua que circula por unos conductos dentro de l. El calor se transmite al agua y es despus liberado en el radiador, que est construido de tal manera que el agua lo ceda rpidamente. Si el calor latente no fuese tan grande, el agua se evaporara y no servira para controlar la temperatura del motor.En la naturaleza, los mares y lagos atenan los cambios de temperatura y favorecen la vida en su seno.La enorme capacidad del agua para transportar calor puede exhibirse mediante un clculo sencillo: si un kilmetro cbico de agua en un ocano fluye de una regin caliente a otra muy distante que se halla 20 grados centgrados ms fra, la transferencia de calor es de diez billones (10 con trece ceros) de kilocaloras que es equivalente al calor generado por la combustin de 2 millones de toneladas de carbn.Jos Black fue un cientfico britnico del sigloXVIII, el primero que se detuvo con gran cuidado a meditar acerca de esta importante propiedad; la llam "calor latente". Puesto que una masa de hielo en un ambiente clido se derrite, cmo es as que no lo hacen los glaciares y las nieves perpetuas? Aunque de hecho hay transformacin de hielo (o nieve) en agua, ella no es sbita, menos an cuando existen grandes masas de uno u otra. Ms an, Black analiz cmo en el verano puede guardarse un cubo de hielo en "las estructuras denominadas casas de hielo" (los primeros refrigeradores o "hieleras") en donde se impide la entrada del aire exterior y por consiguiente el calor penetra con lentitud. La clave, pues, est en que el hielo tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de calor y que ste pasa a las vibraciones moleculares; al derretirse al fin el hielo va a la fase lquida, pero con una temperatura cercana (aunque un poco ms alta) a la del hielo.Black, en lenguaje claro e intuitivo lo resume:Salta a la vista, pues, que el hielo, al derretirse, recibe calor con mucha celeridad; pero el nico efecto de dicho calor es mudarlo en agua, la cual no es sensiblemente ms caliente de lo que era el hielo antes. Si, en seguida de derretido el hielo, se aplica un termmetro a las gotas o chorritos de agua, ste marcar la misma temperatura que cuando se aplica al hielo mismo, o de haber alguna diferencia, ella es de tan poca monta que no merece notarse.

Black prosigui sus experimentos con el agua en ebullicin y pudo observar un fenmeno semejante, de manera que:[...] el calor absorbido no calienta los cuerpos circundantes, sino que convierte el agua en vapor. En ninguno de los dos casos nos percatamos de la presencia del calor como causa del calentamiento. El calor est oculto o latente; y yo lo denominocalor latente.

Los estudios sistemticos del hielo fueron iniciados en la primera mitad de este siglo por el britnico Percibaldo Bridgman y el alemn Jorge Tamman. Sus experimentos mostraron que el hielo es una compleja estructura que tiene formas estables y metaestables que pueden cambiar de unas a otras.La mayor parte de la gente habla del hielo refirindose a la forma slida que toma el agua cuando se congela en las condiciones normales de un refrigerador domstico. Empero, en el laboratorio se producen otras variedades de hielos, aparte de los tradicionales cubitos.

Figura 10. La estructura hexagonal de las molculas de agua se manifiesta en las formas con la misma simetra hexagonal de los copos de nieve.En la figura se muestra un mapa, o un diagrama de fases del hielo, del que existennueveformas distintas, cada una de ellas con una cristalizacin peculiar. La razn por la que no observamos frecuentemente estos hielos es que existen a temperaturas muy bajas.

Figura 11. Para representar las transformaciones entre los distintos tipos de hielo, los cientficos elaboran estos diagramas. Cada regin representa las condiciones de temperatura y presin en donde se presenta cada uno de ellos. La lnea gruesa marca la frontera entre el lquido (parte superior) y los hielos (parte inferior).El hielo normal, denominado Ih, tiene una estructura hexagonal, y de l hay una variedad que se llama hielo cbico o Ic que es una especie metaestable2que ocurre entre los -80 y -120 grados centgrados. Este hielo cbico no puede producirse solamente bajando la temperatura a un hielo normal Ih, pues su misma metaestabilidad lo impide; hay que llegar por otro camino: condensando vapor a -80 grados centgrados. Del hielo IV se sabe muy poco, salvo que es una forma metaestable que puede coexistir con el hielo V.Otra forma de hielo parece surgir al enfriar agua lquida al vaco (es decir, en ausencia de aire), y lo que se obtiene es hielo ms pesado que el agua aunque su existencia todava est por demostrarse.Como puede observarse del diagrama, los hielos II, VIII y IX no se encuentran prximos al lquido y por tanto no pueden producirse de l; han de obtenerse enfriando los hielos III, V, VI o VII a presin, o descomprimiendo a temperatura constante uno de ellos. As, el hielo II normalmente se prepara a partir del hielo V por descompresin a -35 grados centgrados y el hielo IX enfriando el hielo III a -100 grados centgrados.Una caracterstica de todos los hielos es su arreglo cristalino en el que cada oxgeno se liga por hidrgenos a cuatro oxgenos vecinos. En el hielo I la estructura es tetradrica pero, a medida que se eleva la presin, el ngulo entre el hidrgeno y el oxgeno se distorsiona, acercando a los oxgenos vecinos.Aun cuando la anterior descripcin puede pasar por una simple curiosidad cientfica, el estudio de los cambios en los arreglos de estructura es ms fcil de tener en un slido que en el lquido. El agua, recordemos, tiene una estructura muy ordenada, de modo que las observaciones del hielo han servido grandemente para estudiar al lquido, para el cual han heredado parte de los trminos.Normalmente pensamos en las tres formas fsicas del agua, hielo, lquido y vapor, como si fueran tres cosas distintas, aunque de hecho no nos es desconocido que son lo mismo. Para conocerla un poquito ms caminemos por el mundo de los cambios de fase, con un mapa llamadodiagrama de fasesen la mano.

Figura 12. Undiagrama de faseses una representacin matemtica de lo que sucede en la naturaleza. Los cientficos lo utilizan para describir los procesos de transformacin entre las fases, como los que se describen en el texto.Las direcciones en las que nos podemos mover son tres, como en el mundo que vivimos: en este caso, en vez de largo, ancho y alto hay presin, volumen y temperatura. En este mundo, sin embargo, cuando se dan valores a dos dimensiones la tercera queda fija automticamente.El gas, al que llamamos comnmente vapor, es una fase en donde las molculas estn muy distantes unas de otras. Prcticamente son ajenas a las interacciones moleculares y no existe orden. Esta fase, sin embargo, comienza a adquirir propiedades nuevas cuando se disminuyen la presin o la temperatura, lo que resulta en una contraccin, haciendo que las molculas "sientan" la influencia de otras. sta puede llevar al lquido, en cuyo caso se presenta unacondensacin, o al slido, que es unasublimacin inversa.El slido es la otra cara de la moneda: reina el orden. Las molculas de agua se agrupan en estructuras bien definidas, normalmente hexagonales. Existe una limitada agitacin molecular que disminuye con la temperatura aunque nunca cesa por completo, ni en el cero absoluto.Si se calienta el hielo se derrite en un proceso llamadofusin, y llega al lquido. Los lquidos son estructuras intermedias entre el orden del slido y el total desorden del gas. Normalmente el orden persiste tan slo localmente, pero el agua es la gran excepcin: su lquido tiene la mayor estructura de todas las sustancias normales. El lquido seevaporaconstantemente, es decir, las molculas en su seno tienden a escapar al gas, en donde hay menores atracciones entre ellas (ms desorden), aunque las molculas vecinas intentan por lo contrario retener a las prfugas.La retencin se llamacohesin,su medida es latensin superficialy requiere de energa para romperse. Por consiguiente, cuando una molcula al fin consigue incorporarse al gas se lleva consigo parte de la energa del lquido, enfrindolo ligeramente. Esto puede acelerarse si se agita el agua, pues ello rompe la tensin superficial y se forman burbujas llenas de vapor. Este fenmeno se llamacavitacin(del latncavitas= hueco).La evaporacin del agua brinda la humedad al aire. Si el aire est muy seco el proceso ser rpido, hasta llegar a saturar la humedad ambiental, en cuyo momento se detiene. Por eso si se disipa la humedad superficial contina evaporando el lquido y disminuyendo su temperatura, razn por la que es ms baja cuando sopla viento.En el momento en que la temperatura llega a 100 C (al nivel del mar) el lquidoebullehasta convertirse ntegramente en vapor. Para poner en ebullicin un litro de agua se requieren 539 kilocaloras (abreviado kcal); en tanto no se suministre esa energa el agua se ir calentando pero no hervir.La temperatura de ebullicin depende de la presin atmosfrica. Por ejemplo, al nivel del mar el agua hierve a 100 grados centgrados, en la ciudad de Mxico (2 km de altitud) a 92.6, en la cumbre del Popocatpetl a 82 y en la del monte Everest a poco menos de 70. Se puede tener agua hirviendo a 0 grados centgrados, pero habra para ello que bajar la presin a 4.6 mm Hg.

Figura 13. La temperatura de ebullicin del agua (y de cualquier otra sustancia) depende de la presin, como se ilustra en la figura.Los lquidos pueden aceptar ciertas cantidades de gases y slidos en su seno: esto se conoce comodisolucin: no todo slido o gas puede incorporarse a un lquido, ni en cualquier cantidad. Al lmite de concentracin de un soluto (la sustancia que se agrega) en un solvente (la que recibe) se llama solubilidad. Esta propiedad puede modificarse por la temperatura y por la presin.La propiedad de disolucin se conoce desde la antigedad. Los alquimistas buscaron una sustancia que disolviese todas las dems. Esta sustancia no existe, pero lo ms cercano a ella es el agua. Adems, el agua es extremadamente corrosiva, una de las ms corrosivas... y no obstante es fisiolgicamente inocua.Los gases se disuelven en los lquidos en distintas cantidades. Por ejemplo el agua disuelve inmensas cantidades de cido sulfhdrico y bixido de carbono. El amoniaco es tambin muy aceptado (100 gramos en medio vaso de agua). Aunque el oxgeno y el nitrgeno se disuelven con mucha menos facilidad (0.07 y 0.03 gramos por litro, respectivamente), ello es muy importante para la vida acutica, pues aunque hay un centsimo de gramo de aire por litro, ste es suficiente para los peces.El agua, dentro de sus particularidades, parece haber sido pensada como el lquido de la vida: disuelve los nutrientes que necesitan los seres vivos (mejor que cualquier otro lquido), regula la temperatura tanto del medio ambiente como del interior de los organismos, favorece el crecimiento y da cuerpo a las estructuras vivas: la turgencia de las plantas se debe a su contenido de agua. Es el elemento ms comn y, sin embargo no siempre se encuentra en el sitio requerido y con la pureza adecuada.

EL AGUA EN NUESTRO PLANETA

DE CUNTA AGUA ESTAMOS HABLANDO?DESDEel espacio sideral a 160 000 km, nuestro planeta destaca en el fondo negro del vaco como una esfera azul, cruzada por las manchas blancas de las nubes. Tres cuartas partes de su superficie la cubren los mares y los ocanos, y de las tierras emergidas una dcima parte la cubren los glaciares y las nieves perpetuas.El agua conforma todo el paisaje del planeta: aparente en ros, lagos, mares, nubes y hielos; sutil en la humedad superficial; notada slo en el roco de la madrugada; oculta dentro de la corteza terrestre misma en donde hay una gran cantidad, hasta cinco kilmetros de profundidad. En esta seccin daremos una idea de la magnitud de los recursos acuticos.El volumen de agua en nuestro planeta se estima en unos 1 460 millones de kilmetros cbicos. Un kilmetro cbico es un volumen muy grande: mil millones de metros cbicos, es decir aproximadamente toda el agua que llega a la ciudad de Mxico durante nueve horas; as que, si pudiese bombearse toda el agua de la Tierra por nuestra ciudad tendran que pasar un milln quinientos mil aos.Noventa y cuatro por ciento del volumen total del agua existente en la Tierra est en los mares y ocanos, cuatro por ciento dentro de la corteza terrestre, hasta una profundidad de 5 km. El resto en los glaciares y nieves eternas y en lagos, humedad superficial, vapor atmosfrico y ros.

Figura 14. La presencia del agua realza la belleza del paisaje.En cantidades absolutas, sin embargo, las cifras son enormes. En la tabla se resumen stas:

En los ocanos y los mares1 370 000 000km3

En la corteza terrestre60 000 000"

En los glaciares y nieves perpetuas29 170 000"

En los lagos750 000"

En la humedad del suelo65 000"

En el vapor atmosfrico14 000"

En los ros1 000"

TOTAL1 460 000 000km3

Por supuesto estas cifras slo tienen el propsito de dar una idea de la magnitud del recurso. De hecho, los cientficos que las han estudiado consideran que sus clculos fcilmente tienen un error de 10 a 15% o ms. Ello se debe principalmente a que las aguas estn en continuo movimiento: se evaporan, se condensan, se filtran por la tierra o son arrastradas por los ros al mar, los hielos de los polos se rompen, migran y se funden...Por ejemplo, refirindonos tan slo a la evaporacin, nicamente de los ocanos anualmente se van a la atmsfera 449 000 km3(que si pasaran en forma de agua lquida a travs del suministro a la ciudad de Mxico tardaran en hacerlo 461 aos con 4 meses y unos cuantos das).De dnde sali tanta agua?La Tierra se form hace unos 5 000 millones de aos por la conglomeracin de partculas slidas. La desintegracin de las especies radiactivas y la conversin en calor de la energa cintica y potencial del polvo que form al planeta elev la temperatura hasta formar un ncleo lquido de metales que se enfri liberando gases voltiles que formaron una atmsfera de agua, gases de carbn y de azufre y halgenos (flor, cloro, bromo y iodo). Se calcula que este proceso tom 500 millones de aos.Cuando la temperatura era de 600 grados centgrados, casi todos esos compuestos estaban en la atmsfera, pero al descender por debajo de 100 grados centgrados, el agua y los gases cidos se condensaron, reaccionando con la corteza terrestre y formando los primeros ocanos.Los mecanismos por los que esto sucedi son todava un gran misterio, aunque se han sugerido dos caminos: un enfriamiento rpido por el cual el agua y el cido clorhdrico se condensaron formando ocanos calientes y cidos que reaccionaron vivamente con la corteza, o un enfriamiento lento en el que el agua fue atrapada de la atmsfera por las rocas: en este segundo caso la atmsfera habra sido rica en bixido de carbono y no habra habido ocanos, siendo nuestro planeta como ahora es Venus; los ocanos en este caso se habran formado ms tarde.En todo caso la presencia de bacterias y posiblemente algas en rocas de hace 3 000 millones de aos indica que para ese tiempo la temperatura era ya inferior a 100 grados centgrados y ya se haban formado los ocanos.Adems, es muy probable que los gases cidos originales hubiesen sido ya neutralizados por las reacciones con los minerales de la corteza y que ya no hubo ms liberacin de ellos, as que la composicin de los ocanos muy probablemente ha sido la misma desde entonces. Los principales compuestos disueltos en el agua de mar se muestran en la siguiente tabla:Principales constituyentes en un kilogramo de agua de mar

CompuestoPeso (gramos)Proporcin en el contenido

total de sales (%)

Cloro18.98055.044

Sodio10.55630.613

Sulfatos2.6497.682

Magnesio1.2723.689

Calcio0.4001.160

Potasio0.3801.102

Bicarbonatos0.1400.406

Bromo0.0650.189

Acido brico0.0260.075

Estroncio0.0130.038

Flor0.0010.003

Agua965.5180.000

TOTAL1 000.000100.000

El nico compuesto que faltaba en aquel entonces era el oxgeno, pues este gas no provino del enfriamiento de la corteza. Las primeras cantidades de oxgeno se formaron por la fotodisociacin del agua, es decir, por el rompimiento de molculas de agua por la accin de los rayos ultravioleta del Sol.3Ms tarde, cuando hubo organismos capaces de efectuar la fotosntesis, se enriqueci la atmsfera en este compuesto.El volumen total del agua en el planeta ha permanecido estable desde ese entonces.El balance local entre tierra y mar es otra cosa: de hecho, en los ltimos dos y medio millones de aos los cambios han sido grandes, incluyendo destacadamente varios avances y retrocesos de los glaciares. La principal causa de estos cambios se ha debido al clima. Hasta ahora la climatologa ha sido dictada fundamentalmente por las fuerzas naturales, pero la creciente actividad industrial humana caracteriza el rgimen de balance de agua y calor con una gran inestabilidad. Por ejemplo, las observaciones del nivel promedio del mar en los ltimos 60 a 80 aos muestran un incremento promedio anual de 1.2 milmetros: ello implica que 430 km3de reservas acuticas de la Tierra estn pasando al mar cada ao.Este proceso podra verse acelerado por la creciente generacin de energa y su consecuente descarga de calor a la atmsfera en la regin de tierra, pues podran provocarse redistribuciones de precipitaciones pluviales y movimientos de las capas de hielo.Finalmente, un comentario sobre la composicin del agua en nuestro planeta. El agua "incolora, inodora e inspida" es aquella qumicamente pura. En la naturaleza no hay tal: justamente por la gran capacidad de disolucin de este lquido.Su "presentacin" en los anaqueles del planeta vara, desde agua con un enorme contenido de slidos (como el agua salada de los mares) hasta otra potable, sin contar la contaminada a la que me referir ms adelante.Y algo sobre la composicin del agua. El agua de mar tiene en promedio 3.5% de sales disueltas, cuyos extremos se encuentran en el Mar Muerto, que tiene 30%, y en el Golfo de Finlandia que tiene 0.3%. Los hielos que se forman del agua marina tienen un proceso natural de desalacin: cuando se forma, puesto que es agua de mar congelada, incorpora el 3.5% de sales, pero para el verano la salinidad baja a 0.4%; y si el hielo subsiste un ao, su salinidad puede llegar a 0.1%.Al evaporarse, el agua pierde sus sales, de modo que el agua atmosfrica es dulce (sin sales). Al precipitarse y fluir por la tierra y los ros corre como agua dulce, aunque su capacidad de disolucin hace que incorpore las sales que encuentra a su paso, as que puede tornarse muy salada.La salinidad de un ro (que vara grandemente) es, sin embargo, aproximadamente 300 veces menor que la del mar. De cualquier suerte, hay un movimiento natural de agua entre tierra y mares que se llama ciclo hidrolgico.II.2. CMO CIRCULA EL AGUA EN EL PLANETA: LA EVAPORACINEl agua en nuestro planeta est en continua transformacin: se evapora, cae en forma de lluvia, se filtra por la tierra y fluye en los caudales de los ros. A grandes altitudes o en las latitudes altas se halla presente en forma de hielo o nieve y stos, a su vez, se transforman tambin. La ciencia de la hidrologa estudia todos estos movimientos y sus observaciones conforman lo que se conoce como el ciclo hidrolgico. ste comprende todos los desplazamientos del agua que forman varias trayectorias que alcanzan 15 kilmetros de altitud, en las nubes ms altas, hasta profundidades de 1 kilmetro, en las infiltraciones ms profundas.En el ciclo hidrolgico estn presentes muchos fenmenos fsicos: el agua se evapora de la tierra y los ocanos; el vapor de agua flota por su baja densidad y es arrastrado por las corrientes de circulacin de aire atmosfrico hasta que finalmente se precipita como lluvia, granizo o nieve. El agua que cae puede ser interceptada y asimilada por las plantas y de ellas ser transpirada y devuelta a la atmsfera; puede fluir por la tierra hacia corrientes o ros o filtrarse a depsitos subterrneos o bien llenar las depresiones formando lagos, de donde ms tarde se evaporar de nuevo. La figura muestra esquemticamente todos estos procesos.

Figura 15. El agua en la naturaleza est en constante transformacin. El ciclo hidrolgico es la representacin de este cambio.La cantidad de agua comprendida en el ciclo hidrolgico permanece esencialmente constante, aunque localmente cambia y mucho. El comportamiento del ciclo hidrolgico lo dicta fundamentalmente el clima y ste vara de lugar a lugar y tambin en el tiempo. Ms an, existen factores locales, como el cambio de vegetacin o la ocurrencia de fenmenos geolgicos (como la actividad de un volcn) que pueden afectar grandemente al ciclo hidrolgico. La actividad humana, por su parte, tiene una gran influencia: el crecimiento de las ciudades y la interrupcin de ros por presas o sistemas de riego afecta tambin el movimiento natural del agua.El ciclo hidrolgico evidentemente no tiene principio ni fin puesto que los muchos procesos que lo componen estn interconectados. As que, para empezar, cualquier lugar es bueno y podemos hacerlo por el proceso de evaporacin, que es el que lleva la humedad de la superficie del planeta a la atmsfera.Laevaporacines un intercambio de molculas entre un lquido y un gas; el fenmeno inverso se llama condensacin. El balance entre la evaporacin y la condensacin depende de la temperatura del lquido, de su pureza, de la humedad del aire (es decir de cunta agua disuelta hay en l), del viento y de otros factores.Para comprender el proceso de evaporacin podemos imaginar lo que sucede en el mbito microscpico: en todos los cuerpos las molculas se hallan en movimiento continuo, tanto ms vivo cuanto mayor sea la temperatura del cuerpo. Cuando un lquido y un gas estn en contacto a travs de una superficie, algunas de las molculas del lquido consiguen escapar hacia el gas en tanto que otras de ste son atrapadas por el lquido, las molculas que consiguen escapar constituyen la evaporacin y las que son atrapadas por el lquido forman la condensacin. Fenmenos semejantes suceden entre el hielo y el aire.

Figura 16. Las molculas estn en continuo movimiento; en el gas se hallan ms libres y su movimiento es ms agitado, en tanto que en el lquido experimentan mayores atracciones entre ellas: mientras unas "caen" al lquido, otras "escapan" al gas, manteniendo el nmero constante en uno y otro.En general las atracciones son ms intensas en el lquido que en el gas: en ste las molculas se encuentran prcticamente libres de manera que las molculas del lquido deben adquirir la energa suficiente para pasar de un medio ms "pegajoso" a otro libre; adems, al escapar la molcula se lleva consigo la energa de movimiento que adquiri, reduciendo la energa total del lquido.As que para que se produzca y mantenga el fenmeno de evaporacin es necesario que una fuente externa de calor suministre la energa necesaria que ser menor en la medida que las molculas tengan ya de por s mayor movimiento, es decir, mayor temperatura. La fuente principal de calor para evaporar el agua en la naturaleza es el Sol.Los procesos de evaporacin y condensacin compiten entre s estableciendo un cierto equilibrio, aunque el proceso de evaporacin se produce con mayor celeridad y, en general, hay una transferencia neta de molculas del lquido al gas.La capacidad del aire para recibir ms de las molculas que escapan del lquido vara de acuerdo con su saturacin de humedad: la evaporacin predomina sobre la condensacin mientras la humedad relativa del aire es baja y el proceso esencialmente se detiene cuando llega al 100%. Cuando esto ocurre, el nmero de molculas que escapan del lquido es esencialmente igual al que regresa, y el proceso de evaporacin se equilibra con el de condensacinEn una situacin real, un lago por ejemplo, existen varios fenmenos entrelazados que gobiernan la evaporacin del agua. Desde luego, la temperatura del lquido constituye un factor muy importante, pero la evaporacin se ver afectada por otras causas.El viento actuar de varias maneras: al eliminar las molculas que acaban de escapar del lquido impedir que regresen por condensacin y habr otras que ocupen su lugar. Si el viento es caliente proveer mayor energa para acelerar el proceso de evaporacin, pero si es fro detendr el proceso quizs hasta invertirlo, favoreciendo la condensacin. Este fenmeno se conoce comoadveccin.Los slidos disueltos en el agua tambin afectan la evaporacin pues introducen atracciones adicionales en el seno del lquido que hacen que las molculas se "peguen" ms. Aproximadamente por cada 1% de salinidad en el agua se reduce en 1% la evaporacin; as, el agua marina con 3.5% de sales disueltas se evapora 3% menos que el agua dulce. Otro efecto de la materia disuelta en el agua es que refleja la radiacin solar y por consiguiente reduce la cantidad de energa transferida a ella. El resultado es una menor evaporacin.El agua no solamente se evapora de las superficies lquidas libres, como las de lagos y mares. Todo cuerpo hmedo intercambia su contenido de agua con el aire de los alrededores de forma esencialmente idntica a la descrita, salvo que existen fuerzas adicionales que modifican este proceso.En un suelo hmedo, por ejemplo, las molculas de agua estn sometidas, adems de a la atraccin entre s, a la atraccin de las molculas de la Tierra, lo que reduce la velocidad de evaporacin. Adems existe menor cantidad de agua en contacto con el aire que en una superficie lquida, de manera que para mantener una evaporacin constante es necesario que de capas ms profundas de la Tierra salga agua en mayor cantidad que la que haya en el aire que la recibe. Cuando baja mucho el contenido de humedad de la Tierra o sube mucho la del aire la evaporacin cesa.Los primeros cinco centmetros de la capa de tierra ejercen un control definitivo en el ritmo de la evaporacin, pues cuando la tierra est completamente seca no produce evaporacin ya que la superficie acta como aislante. El subsuelo puede estar completamente hmedo, pero el movimiento vertical del agua no se produce.La textura del suelo afecta tambin la evaporacin. Un suelo rugoso induce un movimiento capilar de desplazamiento del agua. Las fuerzas capilares se deben a las fuerzas atractivas que existen entre las molculas del agua y las molculas de la tierra. Estas fuerzas contrarrestan la fuerza de gravedad y causan un ascenso del agua por los pequeos conductos que forman el suelo rugoso: entre ms pequeos sean los conductos es menor la masa de agua dentro de ellos y por lo tanto puede ascender ms fcilmente. As que la rugosidad del suelo puede en cierta medida suplir la falta de humedad de las capas superiores para dejar escapar el agua.El color del suelo modula tambin la evaporacin, pues de l depende qu tanto se reflejan los rayos solares y, en consecuencia, qu tanta energa se suministre para el proceso. Los suelos claros reflejan ms la luz del Sol y tienen menor evaporacin que los suelos oscuros.La presencia de vegetacin reduce la evaporacin directa del suelo, pues crea una capa aislante, protege el suelo de los rayos solares e impide que el viento arrastre la humedad superficial. En estos suelos el proceso de evaporacin del agua superficial se lleva a cabo por medio de las plantas, a travs de sutranspiracin.

Figura 17. El roco que aparece en las maanas sobre las hojas es una manifestacin del proceso de respiracin.La transpiracin de las plantas se efecta a travs de las hojas, cuando stas absorben la radiacin solar que necesitan para efectuar la fotosntesis. Las hojas se calientan y pierden el agua que contienen en sus espacios intercelulares a travs de unas pequeas vlvulas llamadas estomas. Las estomas son poros formados por dos clulas en forma de media luna que aumentan su volumen al fluir agua hacia ellas y, al hacerlo, el poro se abre. Cuando han dejado pasar el agua se contraen y cierran el poro. As la hoja controla la prdida de agua. Al perder agua por evaporacin se descompensa el equilibrio en la planta, as que hay fuerzas capilares semejantes a las que se inducen en los suelos rugosos y de la misma manera se provoca un ascenso del agua, de las races hacia el tallo, arrastrando nutrientes y as alimentando a la planta; el exceso se observa en forma de roco por las maanas.

Figura 18. El agua disuelve los nutrientes que son absorbidos por capilaridad a travs de las races y distribuidos a la planta. Por los estomas se evapora en las hojas, proporcionando la fuerza motriz para arrastrar ms agua.II.3. CMO CIRCULA EL AGUA EN EL PLANETA: EL VAPOR ATMOSFRICOUna vez que el agua se ha evaporado se incorpora a la atmsfera en forma de vapor. Fundamentalmente toda el agua de la atmsfera se encuentra en esta forma; el lquido que hay en la precipitacin pluvial y en las gotitas de agua de las nubes, o el slido de la nieve y el granizo, ocurren temporalmente y en zonas muy localizadas.La cantidad de agua en la atmsfera es relativamente pequea: constituye un cienmilsimo de toda el agua del ciclo hidrolgico, y si toda ella se precipitara, formara una capa de apenas 2.5 cm de espesor en la superficie del planeta.Sin embargo, a pesar de constituir una parte modesta del ciclo hidrolgico, el vapor atmosfrico tiene un papel muy importante, pues lo cierra al precipitarse en forma de lluvia, nieve o granizo y as contribuye a distribuir el agua en el planeta. Adems, las nubes forman una capa que permite pasar la radiacin solar que llega a la Tierra, pero impide que la radiacin reflejada por la superficie de la Tierra escape de nuevo al espacio. Esto tiene una funcin reguladora sobre la temperatura de nuestro planeta, que descendera drsticamente si no hubiese vapor atmosfrico. Entre parntesis, por esto los desiertos son muy calientes en el da y muy fros en la noche.La cantidad de vapor atmosfrico depende no slo de la evaporacin local, sino tambin de desplazamientos horizontales de ste. Entre menor es la temperatura del aire hay menos vapor, y como sta desciende con la altitud, el contenido de vapor atmosfrico disminuye a grandes alturas. A ms de 8 kilmetros de altura ya no hay vapor de agua.La humedad del aire disminuye con la altitud, as como la presin y la temperatura; es por eso qu los aviones requieren de equipo especial que conserve tales factores. En la siguiente tabla se muestran algunos valores indicativos.

Altitud en metrosPresin en mm HgTemperatura CHumedad relativa (%)

8 000266.9-37.00

6 000353.8-24.05

5 000405.1-17.510

4 000462.3-11.020

3 000525.8- 4.530

2 000596.22.040

1 000674.18.560

07601580*

* Al nivel del marEstos datos, por cierto, han sido calculados para distancias medidas verticalmente sobre el nivel del mar. Por supuesto que la temperatura en la ciudad de Mxico no es de 2 grados, pues el suelo por un lado y las nubes, por el otro, regulan la temperatura.El aire experimenta desplazamientos horizontales y verticales. Los primeros arrastran el vapor y contribuyen a distribuir la humedad en la atmsfera. Los segundos llevan el vapor de agua a capas ms altas de la atmsfera que, por ser ms fras, provocan su condensacin. Los vientos son resultado del calentamiento de la atmsfera por el Sol. Durante el da la tierra se calienta y el aire sobre ella asciende, provocando un desplazamiento del aire ms fro del mar hacia tierra, aire que lleva la brisa marina. En la noche el proceso se invierte, acarreando la humedad terrestre al mar. Esto mismo sucede a mayor escala y en "cmara lenta" con la humedad de las masas continentales: se mueve hacia el mar en la estacin fra y en sentido inverso en la estacin caliente.

Figura 19. La diferencia de temperaturas entre el da y la noche invierte el sentido del desplazamiento de la humedad superficial del mar a tierra.El vapor atmosfrico es arrastrado por las corrientes de aire, atravesando capas de distinta temperatura. En algn momento sufre el proceso de condensacin, el proceso inverso a la evaporacin. El agua pasa de la fase gaseosa a la fase lquida, en la cual las molculas se agrupan por efecto de su atraccin. Por efecto de la condensacin el agua se desprende de la atmsfera y finalmente cae a tierra. Si la temperatura del medio es superior a 0C el vapor se condensa en gotitas de agua lquida, si es inferior se solidifican formando cristalitos de hielo, conocidos como granizo. En determinadas condiciones, cuando tanto la temperatura como la presin es baja y la densidad del vapor es alta, puede suceder otro fenmeno que es el paso directo del vapor a la fase slida; el proceso se llamasublimacin inversay da lugar a la formacin de copos de nieve.En su primera formacin, las gotitas de agua o los cristalitos de hielo son muy pequeos, de 5 milsimas a 5 centsimas de milmetro. Estas gotitas o cristalitos son tan pequeos que flotan libremente en el aire y forman las nubes. Si la densidad de las gotitas aumenta se conglomeran en gotas ms grandes, de una a cinco dcimas de milmetro, dando lugar a la lluvia.Las nubes se forman porque el vapor de agua atmosfrico se enfra y pasa de la fase gaseosa a la fase lquida. La temperatura a la que esto sucede se llamatemperatura de roco,y depende de la presin atmosfrica y la densidad del vapor.En algunas condiciones, particularmente cuando no hay gotitas de agua en el aire, la temperatura puede descender por debajo de la temperatura de roco sin producirse el fenmeno de la condensacin, dando lugar a la llamadaatmsfera supersaturada.sta es muy inestable y a la menor perturbacin varias molculas de agua se agruparn y formarn una gota, que se llama ncleo de condensacin. Puede tambin suceder que haya partculas slidas flotando que atraigan a las molculas de agua y acten como ncleos de condensacin. La sal es un excelente ncleo de condensacin pues tiene gran atraccin para el agua, de manera que cerca de los suelos fros o en el mar, donde hay un alto contenido de sal en la atmsfera, es relativamente frecuente que esto que describimos suceda: es el fenmeno de laniebla.Cuando cae la lluvia puede pasar una de cuatro cosas:1)volver a evaporarse al caer o poco despus de hacerlo;2)ser interceptada por la vegetacin y ms tarde evaporarse por las hojas;3)infiltrarse y pasar a formar parte de la humedad del subsuelo o de capas ms profundas y4)incorporarse al flujo de un caudal que la lleve a los lagos o al mar.Las grandes manchas urbanas provocan principalmente el primer fenmeno, la reevaporacin, pues las superficies pavimentadas o construidas son impermeables y no pueden retener el agua que reciben. El alcantarillado, por su parte, conduce al exceso de agua por lo general lejos de las ciudades. As se provoca una seria interferencia local con el ciclo hidrolgico. La nica salvedad se da en los parques, donde penetra una poca de agua al subsuelo, tanta menor es sta cuanto ms pequea sea la relacin entre reas verdes y reas construidas.Es por eso que en la actualidad el gobierno de la ciudad de Mxico est perforando pozos de absorcin de aguas pluviales, en el esfuerzo por volver a llenar los mantos subterrneos y contrarrestar la seria perturbacin al ecosistema del valle.

Figura 20. Las reas verdes, adems de servir de esparcimiento, permiten la absorcin de la lluvia.Cuando el agua penetra al subsuelo es gradualmente conducida a capas ms profundas y puede penetrar a travs de los mantos rocosos subterrneos pasando a travs de sus pequeas hendiduras por el fenmeno conocido comopercolacin.De esta manera, el agua adquiere parte de las sales del suelo que se disuelven en ella. La infiltracin depende de las caractersticas del suelo: en ausencia de vegetacin la tierra puede compactarse por el impacto de las gotas de lluvia y formarse una capa impermeable que impida que el agua penetre a zonas ms profundas. Esto es particularmente notable en terrenos arcillosos. Por el contrario, no sucede en terrenos areniscos que son ms difciles de compactar. A la velocidad con la que el agua penetra un suelo se le llamaritmo de infiltraciny la mxima velocidad a la que sucede es lacapacidad de infiltracin.La vegetacin aumenta el ritmo de infiltracin, pues por una parte protege el suelo de la evaporacin y por otra las races conducen el agua a capas ms profundas del subsuelo de donde puede empezar a percolarse.Cuando la tierra est seca, las fuerzas capilares que dependen de las atracciones entre las molculas de agua y las de los poros de la tierra, actan para acelerar el proceso de infiltracin, ms que la propia gravedad.

Figura 21. El agua de lluvia penetra el interior del suelo primeramente por la accin de su propio peso, pero las fuerzas capilares actan tambin: cuando el suelo est hmedo aceleran la infiltracin, pero cuando est seco la llevan a ascender y escapar.

Figura 22. Nuestro pas no tiene grandes extensiones de lagos y lagunas; la figura muestra los principales.

Figura 23. Los principales ros de Mxico.

Figura 24. Grabado de 1886 que muestra la entrada a las grutas de Cacahuamilpa. Al fondo puede apreciarse un ro subterrneoEl fenmeno que dicta la absorcin del agua cuando empieza a caer la lluvia es el de la infiltracin pero, a medida que la precipitacin contina, la tierra se satura y el agua empieza a llenar las cavidades hasta que comienzan a formarse corrientes que la arrastran siguiendo la pendiente del suelo. Esto forma una parte muy importante del ciclo hidrolgico y constituye el drenaje natural de las cuencas. En valles naturalmente cerrados como el de Mxico la cuenca no puede drenar y se forman grandes depsitos en lagos. Cuando la actividad humana interfiere con estas funciones se pueden provocar inundaciones que, como veremos ms adelante, llegan a alcanzar efectos devastadores.El agua que penetra por percolacin en las capas ms profundas forma mantos subterrneos, algunos de los cuales quedan atrapados por rocas superiores y estn sometidos a grandes presiones. Los mantos subterrneos pueden en algn momento llegar a una depresin superficial y el agua aflorar. Tambin puede no hacerlo y quedar bajo tierra, formando los llamados mantos fsiles.El agua subterrnea es mucho ms difcil de observar y medir que la superficial, de manera que los cientficos han tenido que idear mtodos refinados para determinar su movimiento. Un mtodo muy estudiado consiste en medir las relaciones de los istopos de los tomos constituyentes del agua, el hidrgeno y el oxgeno. Los istopos son variedades de un tomo que son qumicamente idnticas pero difieren en su composicin nuclear. En la naturaleza hay istopos ms abundantes que otros, y sus proporciones son bien conocidas, de manera que cualquier desviacin de las proporciones naturales puede servir de "marca" para identificar el agua, y relacionarla con su origen.En su fase slida, hielo o nieve, el agua recorre el ciclo hidrolgico de manera semejante al agua lquida. Lo equivalente a los ros, para el hielo, son los glaciares, masas de hielo en movimiento que cubren las tierras emergidas. Los glaciares se originan en la llamada lnea de las nieves, que es el lmite inferior de la zona en donde hay nieve todo el ao. Este lmite vara con la latitud, desde el nivel del mar en los polos hasta una altitud de 5 000 metros en el ecuador. En todos los continentes, excepto en Australia, hay glaciares; en los polos son un elemento normal del paisaje, pero a medida que nos acercamos al ecuador son ms infrecuentes, pues solamente se les localiza en las montaas ms altas.

Figura 25. El Matterhorn, en los Alpes suizos, muestra los efectos caractersticos de la erosin glaciar. La forma puntiada de su cima se debe a la erosin de los glaciares.