Monografías

Monográficos: El agua. El calor. El cambio. El vapor. Las nubes. Lluvia, nieve y granizo. Reaprovechamiento.

Ciclo del agua

1- El agua

Ciclo del agua

El agua está formada por moléculas con tres átomos: dos de hidrógeno y uno de oxígeno. Esto fue demostrado por Lavoisier y Henry Cavendish entre 1781 y 1783. En estado líquido estas moléculas están apiñadas en forma desordenada. Se pueden mover libremente pero se mantienen adheridas unas a otras por fuerzas atómicas.

El grado de agitación de las moléculas está relacionado con la velocidad con que se desplazan (por otra parte con la vibración propia) y tiene estricta relación con la temperatura. Veamos una molécula de agua H20, su tamaño y disposición, esquemáticamente:

1Å = 0,00000001 cm

2- El calor

La energía proporcionada por el Sol aumenta la velocidad promedio de las moléculas. Decimos que entonces subió la temperatura en el líquido. A temperatura ambiente (unos 20° C) un átomo de oxígeno viaja por el espacio vacío que le rodea a 1.440 Km/h y uno de hidrógeno a 5760 km/h en promedio. Notemos algunas cosas:

- Observe que el peso atómico del hidrógeno es 1 y el del oxígeno 16. Tiene permiso para concluir que cuanto más pesada es una molécula menos velocidad tendrá.

- A mayor temperatura, mayor velocidad en promedio.

- Si bien los átomos tienden a agruparse y no viajan solo, que es lo que se calculó, el orden de magnitud es correcto, una molécula de gas en el aire puede moverse por ejemplo entre los 1.000 y 5.000 km/h. Pero no realiza mucho trayecto antes de chocarse con otra, entonces no imagine pequeños proyectiles, sino como pelotitas en una caja de sorteos de lotería, rebotando de un lado a otro y pegándose entre ellas.

En definitiva, el calor del Sol agita las moléculas del líquido, sobre todo las más superficiales.

Ciclo del agua

3- El cambio

Imagine ahora la superficie de nuestro líquido calentada por el Sol. Una molécula muy abundante en el aire, por ejemplo el nitrógeno, choca con la superficie del agua a esas enormes velocidades. Así golpeadas, las moléculas de agua pueden ser arrancadas del seno del líquido y quedar libre de la atracción de las otras. A esa molécula libre la llamamos vapor de agua.

También puede ocurrir, y en general sucede, que la molécula de nitrógeno que chocó se hunda en el líquido y quede atrapada por éste,aunque esa sea otra historia. Sigamos el recorrido de nuestra molécula de agua.

Lo más increíble es que todo lo dicho sucede a temperatura ambiente, lo que implica que la evaporación no es un fenómeno que se dé necesariamente en la ebullición, sino que es un proceso constante.

Pongamos el caso en el que las moléculas de agua así desprendidas queden merodeando la superficie. Esto dificulta a las próximas moléculas a evaporarse, ya que habiendo un techo de vapor aumenta la probabilidad de chocar y tal vez ser atrapadas nuevamente por el líquido.

Ciclo del agua

Es eso lo que precisamente sucede por ejemplo en un recipiente cerrado donde se llega a un equilibrio entre moléculas libres y atrapadas. El líquido se encuentra entonces estable.

Para el caso de la superficie de un lago o del mar sin viento, las moléculas de vapor se acumulan en la superficie y disminuyen el proceso de evaporación. Una suave brisa alcanza para arrastrar lejos las moléculas y permitir el incremento de la evaporación.

Conclusión: El viento y el Sol son dos agentes de la evaporación.

4- El vapor

Este nuevo estado de libertad de las moléculas conforma el vapor de agua, de características diferentes de cuando estaban más apiñadas conformando un líquido.

Las moléculas adquieren grandes velocidades chocando entre ellas muchísimas veces por centímetro de recorrido.

La particularidad del vapor de agua es que es invisible y hay muy pocas moléculas por metro cúbico. Si lo vemos, entonces no es vapor de agua, sino una pequeña nube de gotitas.

Pero si el vapor es invisible, y las nubes se ven entonces quiere decir que las nubes no están conformadas por vapor de agua sino por pequeñas gotas, como las que salen de la pava al hervir agua.

Surge una pregunta importante: ¿En qué momento el vapor deja de ser invisible? ¿Qué tamaño hace que una gota se vea? Y lo más importante es ¿Por qué luego de una determinada medida se hace visible a pesar de que nuestro ojo no pueda ver ni un tamaño ni otro?

Ciclo del agua

5- Las nubes

La respuesta la podemos buscar teniendo en cuenta el hecho de las nubes dispersan la luz blanca en todas direcciones y por eso se hacen visibles aunque esté formada por gotas transparentes.

Ahora imaginemos unas micro gotas de agua invisible. Muchas de ellas están en el aire que nos rodea. Luego crecen un poco más. ¿En qué momento ese grupo de gotas comienza a hacerse visible, es decir a dispersar la luz?

El fenómeno de dispersión es bastante complejo, pero basta con decir que la dispersión aumenta en relación directa con la cantidad de átomos que conforman la gota.

Ciclo del agua

Recordemos que una molécula de agua tiene un diámetro aproximado entre 1 y 2 Å.

A medida que la gota crece, comienza a dispersar más luz hasta que la nube formada por estas gotitas en crecimiento se vuelve visible.

Pero este proceso no sigue en aumento constantemente. Si la gota crece por sobre la medida de la longitud de onda de la luz, la dispersión no aumenta prácticamente nada en adelante manteniendo un valor casi constante. ¿Y cuánto vale la longitud de onda de los colores de la luz? Aproximadamente:

Luz

Longitud

Roja

Naranja

Amarilla

Verde

Azul

Violeta

6.500 Å

6.000 Å

5.800 Å

5.200 Å

4.700 Å

4.000 Å

Ciclo del agua

Observe que el primer color que llega al máximo de dispersión es aquel de longitud de onda menor: el violeta y azul. Una gota de nube mide aproximadamente entre 100.000 Å y 200.000 Å de radio. En general las gotas dispersarán todos los colores de igual manera. Pero las moléculas de agua, independientemente de la gota,tienden a dispersar como ya dijimos los tonos de azul. Y la atmósfera contiene mucho vapor de agua con esta propiedad dispersiva de la luz: por esta razón vemos el cielo diurno con esta tonalidad celeste. Por otro lado, la luz que queda sin dispersar y que llega a tierra (a nuestros ojos), tendrá una marcada componente en los colores del resto del espectro: amarillo, naranja y rojo. Cuando el rayo de luz tiene que atravesar mucha atmósfera cargada de vapor, y esto sucede cuando la luz viene rasante desde el horizonte, el efecto de dispersión de los azules deja un extremadamente marcado resto de los colores complementarios. Así,filtrando el azul, queda ante nuestros ojos el mágico e intenso rojo fuego del atardecer.

6- Lluvia, nieve y granizo

Si la condensación continúa y las gotas crecen, comenzarán a caer por su propio peso. Es lo que llamamos lluvia. Una gota de lluvia promedio mide aproximadamente 10.000.000 Å (seguimos con la notación en ángstrom para marcar como se fue incrementando el tamaño de la molécula de agua de 2 Å hasta la gota).

Ciclo del agua

Es obvio que los dibujos no están a escala, si quisiéramos mantener la escala, no podríamos usar la misma para la molécula que para una gota, no alcanzaría el tamaño de ningún papel.

Para notar esto, si agrandáramos la molécula de agua al tamaño de una arveja (unos 8 mm de diámetro), la gota mediría unos 40 kilómetros.

Los mecanismos por los que el agua se condensa no son del todo conocidos. Algunas de las variables que más se involucran en el proceso son:

- El choque de masas de aire a distinta temperatura.

- la aglutinación alrededor de partículas.

- la formación de cristales a baja temperatura y su posterior derretimiento.

- la acción de vientos en las nubes que produce el choque entre gotitas.

Si la gota es arrastrada hacia las alturas con bajas temperaturas, se forma hielo. Las corrientes ascendentes pueden hacer circular el hielo por dentro de la nube una y otra vez. Así se forma el granizo, capa por capa.

En cambio si es el cristal no derretido el que se aglutina, caerá a tierra en forma de nieve.

De esta forma, nuestra molécula de agua, en una gota, cristal o hielo, continúa su ciclo.

Ciclo del agua

7- Reaprovechamiento

Y el agua cae, mojando la tierra, alimentando los ríos o cubriendo de nieve las cumbres y valles. Favoreciendo la fotosíntesis, permitiendo la vida.

La travesía de algunas gotas incluye el paseo por ríos subterráneos, tal vez se detenga durante algún tiempo para formar parte de un organismo vivo como el de usted. Pero tarde o temprano volverá a circular por ese gran recorrido, casi eterno del ciclo del agua.

Quizá se estanque millones de años en algún glaciar o en los hielos polares y despierte de su letargo para regar los lagos y océanos. Esa circulación de las moléculas de agua se debe en su mayor parte a la acción térmica del Sol que genera los vientos, propicia la evaporación y provee a los mares del inmenso movimiento interno de las corrientes oceánicas. No dejemos de lado a la gravedad, protagonista de esta parte fundamental del ciclo del agua, de hacer correr los ríos al mar, de hacer caer la lluvia y de evitar que el agua se pierda por el espacio, aunque un poco siempre termine escapándose.

Ciclo del agua

En síntesis, la energía del Sol y la atracción de la gravedad ponen en movimiento este monumental mecanismo que moviliza a las inanimadas moléculas de agua, tal vez bebidas por un Tiranosaurio hace millones de años, arrastradas luego por la corriente de un río montaña abajo, evaporada más tarde y arrastrada por los vientos para ser precipitada junto a otras moléculas. Así caer en una refrescante tormenta en el Kilimanjaro y "ver" como generaciones pasan y las especies evolucionan. Observe la canilla más próxima. La tímida gota que puede estar cayendo ahora cuenta una historia de variación y repeticiones, es testigo no viviente de una leyenda real que viene perdurando millones de años.

8- Ciclo

«Todos los ríos van al mar, y sin embargo éste nunca se llena», escribía un sabio en la Biblia. Y esa es la historia de un ciclo. Aunque vale aclarar que no se trata de un recorrido tan claro como se suele dibujar, o siguiendo un orden como lo presentamos aquí. En la mayoría de los libros y enciclopedias figura este esquema donde el agua se evapora del mar, se condensa en nubes arrastradas por el viento y desciende en forma de lluvia, llegando por un río de vuelta al mar.

A veces la lluvia se evapora antes siquiera de tocar la tierra; éste fenómeno recibe el nombre de virgas.

Ciclo del agua

También el agua se evapora mientras corre el río, o se condensa en cavernas y formando el rocío.

Sucede también, como dijimos, que parte de esta masa de agua del planeta queda estancada miles de millones de años en los hielos polares, nieves eternas y glaciares.

Existen mares cuya evaporación supera el aporte del líquido afluente y de lluvias, secándose lentamente como el caso del Mar Muerto, que recibe agua en forma constante y a pesar de no tener salida de agua visible por ningún lado, aún así su nivel no sube, por el contrario, baja. Está evaporándose paulatinamente.

Marcamos estas excepciones para señalar que el ciclo del agua no es un ciclo tan prolijo. Simplemente se ordena para ser explicado comenzando en algún punto arbitrario para concluir, como ahora, en algún sitio donde no cueste demasiado imaginar qué sucederá a continuación con las inquietas moléculas de agua.

Editor: Fisicanet ®

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