Geología

Geología histórica

El origen del agua en la Tierra –o la razón de que en esta claramente haya más agua líquida que en los otrosplanetas rocosos del sistema solar– no se comprende completamente.

Existen numerosas hipótesis más o menos mutuamente compatibles acerca de cómo el agua se pudo haber acumulado en la superficie terrestre en el transcurso de 4,6 millones de años en cantidad suficiente como para generar océanos.

Posibles razones

Enfriamiento planetario

El enfriamiento del mundo primordial, en el transcurso del Eón Hadeano, habría ocurrido hasta el punto que se desgasificaron los componentes volátiles de unaatmósfera dotada de presión suficiente para la estabilización y retención de agua en estado líquido.^1 2

Fuentes extraplanetarias

Cometas, objetos transneptunianos o meteoroides dotados de agua abundante (protoplanetas) procedentes de los confines del cinturón de asteroides principal,colisionantes contra la Tierra, habrían podido ser los vectores (portadores) del agua de los futuros océanos. Mediciones de la relación de los isótopos deuterio (D) yprotio (P) del hidrógeno (H) «apuntan» hacia asteroides, ya que en aguas oceánicas se encontraron porcentajes similares de impurezas en condritas carbonáceas. Análisis cuantitativos previos de isótopos en cometas y objetos transneptunianos coinciden sólo ligeramente con la de agua actual de la Tierra.³

Planetesimales calentados por decaimiento de aluminio

Un planetesimal (infinitésimo de planeta) es un diminuto cuerpo sólido que en una etapa temprana del desarrollo del sistema solar habría existido en los discos protoplanetarios y que en el transcurso de millones de años generaría algún planeta. Esto podría causar emanación de agua a la superficie.⁴ En estudios recientes se ha inferido que cuando se originó la Tierra era ya obtenible agua de relación D/H similar, como se evidenció en antiguas eucritas (meteoríticas) procedentes del asteroideVesta.⁵

Que el agua de la Tierra se haya originado solamente de cometas es debatible. Determinaciones cuantitativas de isótopos de hidrógeno en los cometas Halley,Hyakutake, Hale-Bopp y 67P/Churyumov-Gerasimenko por investigadores como David Jewitt han encontrado que la relación deuterio/protio (o D/H) de los cometas es aproximadamente el doble de la respectiva del agua oceánica. Sin embargo, no es claro que estos cometas sean representativos de la totalidad del cinturón de Kuiper.

Según Alessandro Morbidelli,⁶ la mayor parte del agua actual proviene de protoplanetas originados en el cinturón exterior de asteroides que se proyectaron hacia la Tierra, como lo indican las proporciones D/H en condritas carbonáceas. El agua contenida en estas condritas revela una relación D/H similar a la del agua oceánica. No obstante, se han propuesto hipótesis de procesos⁷ tendientes a demostrar que la relación D/H de esta agua se habría podido incrementar significativamente en el transcurso de la historia de la Tierra. Tal proposición es consistente con la posibilidad de que durante la evolución temprana del planeta ya existía una cantidad importante del agua de la Tierra.

De mediciones recientes de la composición química de rocas de la Luna se ha deducido que la Tierra «nació» con agua congénita. En investigaciones en muestraslunares traídas a la Tierra por las misiones Apolo 15 y Apolo 17 se determinó una relación deuterio/hidrógeno coincidente con la relación isotópica en condritas carbonáceas. Esta relación es también similar a la encontrada en agua actual de la Tierra. Los resultados permiten suponer una fuente común de agua en ambos cuerpos siderales.

Esto soporta una teoría referente a que, temporalmente, Júpiter irrumpió en el espacio de los planetas interiores del sistema solar, y desestabilizó las órbitas de condritas carbonáceas de agua abundante. En consecuencia, algunos cuerpos habrían podido caer hacia adentro y llegar a ser parte del material primigenio de la Tierra y de sus vecinos.⁸ El descubrimiento de emisión de vapor de agua en Ceres (hoy considerado planeta enano) provee información relacionada a contenido agua–hielo del cinturón de asteroides.⁹

Actividad volcánica

Así mismo, el agua terrestre habría podido provenir como consecuencia de uno de los procesos de vulcanismo: vapor de agua expulsado durante erupciones volcánicasposteriormente condensadas y generadoras de lluvia.¹⁰

Agua durante el desarrollo de la Tierra

En el material que constituyó la Tierra habría podido existir una cantidad considerable de agua.^11 12 Durante su génesis, cuando era menos masiva, moléculas hídricas habrían escapado más fácilmente de la gravedad terrestre. Se presupone que de la atmósfera primigenia hayan ocurrido continuamente «fugas» de hidrógeno y de helio, pero que la carencia de gases nobles más densos en la atmósfera moderna implicaría que a la atmósfera incipiente le haya sucedido algún fenómeno desastroso.

Se elucubra acerca de que una porción del planeta joven haya sido afectada por el impacto que originó a la Luna, lo cual habría causado fusión de una o de dos áreas enormes. La composición litológica actual no se aviene con una fusión completa, ya que es difícil fusionar y mezclar totalmente masas rocosas enormes.¹³ Sin embargo, tal impacto habría vaporizado una fracción razonable de material y creado una atmósfera de roca–vapor alrededor del joven planeta. En dos mil años se habría condensado esta mixtura roca–vapor, y dejado substancias volátiles calientes que probablemente constituirían una pesada atmósfera de dióxido de carbono con hidrógeno y vapor de agua.

A pesar de la temperatura superficial de 230 °C, existían océanos de agua líquida propiciados por la presión atmosférica de la pesada capa gaseosa de CO₂. A medida que continuaba el enfriamiento, en el agua oceánica ocurrían fenómenos de subducción y disolución que removían la mayor parte del CO₂ de la atmósfera, pero conforme surgían ciclos de superficie y manto nuevos los niveles oscilaban ampliamente.¹⁴

El estudio de cristales de circón ha permitido inferir que agua líquida debe haber existido desde hace 4,4 Ga (4400 gigaaños = 4400 millones de años), poco después de la formación de la Tierra.^15 16 17 Esto requiere existencia de alguna atmósfera. La teoría de Tierra Joven Fría (Cool Early Earth) comprende un rango de antigüedad de 4,4 Ga a 4,0 Ga.

En un estudio emprendido durante el otoño de 2008 en circones se encontró que minerales contenidos en rocas del eón Hadeico de Australia denotan existencia deplacas tectónicas que datan de 4000 millones de años. Si a esto se le atribuye veracidad, las suposiciones previas acerca del eón mencionado distan mucho de ser correctas.

Esto es, más que una superficie caliente, fundida, y una atmósfera pletórica de dióxido de carbono, la superficie de la Tierra habría sido muy parecida a la de hoy. La dinámica de la tectónica de placas atrapa vastas cantidades de dióxido de carbono, lo cual elimina los efectos de invernadero y propicia una temperatura superficial mucho más fría, generación de roca sólida y, posiblemente, aún vida.¹⁸

Rol de organismos

El origen de una porción del agua terrestre habría podido ser bioquímico, durante el gran evento de oxigenación, mediante reacciones redox y fotosíntesis.¹⁹ En 1931,Cornelius Bernardus van Niel descubrió que bacterias quimiótrofas dependientes de sulfuros (bacterias púrpuras del azufre) fijan carbono y sintetizan agua comosubproducto de un medio fotosintético usando ácido sulfhídrico y dióxido de carbono:²⁰

CO₂ + 2H₂S → CH₂O + H₂O + 2S

El Agua en la Tierra

Origen del Agua

Actualmente conocemos que algunas de las rocas terrestres más antiguas (de algo más de 4.000 millones de años) fueron originalmente depositadas como sedimentos en agua, lo que significa que nuestro planeta ya presentaba una hidrosfera poco tiempo despues de su formación. Sin embargo las cuestiones sobre el origen y en particular sobre porqué hay más agua en la Tierra que en los cuerpos similares del Sistema Solar, están todavía en discusión. Durante mucho tiempo se ha pensado que nuestra atmósfera se originó a partir de un proceso de desgasificación de una Tierra primigenia muy caliente, y que posteriormente, según fue enfriándose el planeta, el vapor de agua se condensó y precipitó en un enorme diluvio que formó la primera hidrosfera. Se ha especulado mucho sobre si la primera atmósfera pudo escaparse al espacio debido a las altas temperaturas reinantes, o bien a un viento solar más intenso que en la actualidad, o a las características del planeta: de menor tamaño y gravedad, en los episodios iniciales de su formación; en cualquier caso posteriormente, gracias al vulcanismo, se originaría la atmósfera actual, que sería, según estas hipótesis, de segunda o tercera generación.

Foto: J.G. Morcillo

Sin embargo actualmente se piensa que la gran cantidad de agua terrestre no puede ser explicada únicamente con las aportaciones del interior del propio planeta, y en los últimos años han cobrado mucha fuerza las ideas que sugieren un protagonismo extra-terrestre, en concreto que el agua terrestre debe proceder de las regiones exteriores del sistema solar.

La explicación a partir de impactos de cometas han tenido mucho apoyo, pero recientes estudios de alguno de los que han pasado cerca del Sol (Halley, Hyakutate y Hale-Bopp), nos muestran que su contenido en isótopos de Hidrógeno no coincide con el del agua oceánica. Sin embargo, el agua de nuestros océanos sí es muy parecida a la de los asteroides situados en la parte exterior del cinturón de asteroides (que pueden contener un 10% de su peso de un agua), por lo que actualmente los impactos de estos asteroides parecen ser los principales protagonistas en la explicación de las enormes cantidades de agua de la Tierra primigenia.

Depósitos de Agua en la Tierra

Balance Hídrico

El ciclo del agua implica un cambio continuo de grandes masas de agua de un estado físico a otro y su transporte de un lugar a otro. Al volumen de agua que se desplaza de un depósito a otro a lo largo de un año se llama balance hídrico global. La cantidad de agua que se evapora de mares y océanos es de 502.800 km cúbicos y sobre ellos precipita una cantidad menor, 458.000 km cúbicos. Esta cantidad de agua se desplaza por la atmósfera hasta los continentes. En los continentes ocurre lo contrario, la evaporación, 74.200 km cúbicos, es menor que la precipitación 119.000, km cúbicos(74.200 mas 44.800). Por lo tanto la evaporación y la precipitación global media del planeta son iguales. El agua que precipita sobre los continentes y que no se evapora, 44.800 km cúbicos, se desplaza por la escorrentía subterránea (2.200 km cúbicos) y por la escorrentía superficial (42.600 km cúbicos), siendo devuelta de nuevo a los océanos. Por otro lado esta agua es responsable principal del modelado terrestre. Puesto que las cantidades globales de agua no varían se dice que el balance está en equilibrio y puede ser, en teoría, un proceso que continúa indefinidamente.

Tiempos de Residencia

Aunque el agua se está moviendo continuamente de un reservorio a otro, como los volúmenes de estos son muy distintos, el agua permanece en cada uno de ellos en tiempo determinado. Se llama tiempo de residencia al tiempo medio que una molécula de agua permanece en cada uno de los reservorios. Esta medida nos indica, por tanto, el tiempo que sería necesario para renovar el total del agua contenida en cada uno de estos depósitos.

El agua permanece por término medio mucho más tiempo en el mar y en los casquetes de hielo y glaciares (del orden de miles de años), que en los ríos y la atmósfera (del orden de días). Pero son las aguas subterráneas las que mas tiempo pueden permanecer inmovilizadas (decenas de miles de años).