El Ciclo Hidrológico

El viaje del agua a través del tiempo

Hace sólo 12.000 años, uno podía caminar de Alaska a Siberia sin mojarse. En ese entonces, los glaciares y las capas de hielo cubrían América del Norte hasta los Grandes Lagos y el Cabo Cod, a pesar que las áreas costeras generalmente permanecían sin hielo. Estas extensas capas de hielo existieron en un momento en el que el nivel marítimo era muy bajo. Por consiguiente, la tierra estaba al descubierto donde ahora el estrecho de Bering está cubierto de agua. En realidad, a través de la historia de la Tierra, períodos de grandes glaciares están en correlación con niveles marítimos bajos, mientras que períodos donde sólo existen pequeñas capas de hielo (como hoy en día) están en correlación con niveles marítimos altos. Estas correlaciones se deben a que la cantidad de agua en la tierra es constante y está dividida entre reservas en los océanos, en el aire y en la tierra. Además, el agua de la Tierra está constantemente pasando de una reserva a otra, en un proceso llamado el ciclo hidrológico. Estos dos factores nos conducen a la conclusión de que a mayor cantidad de agua mantenida en las capas de hielo, menor agua en los océanos.

La Tierra es el único planeta de nuestro sistema solar con extensas cantidades de agua líquida. Otros planetas son demasiado calientes o fríos, demasiado grandes o pequeños. A pesar de que en el pasado Marte parece haber tenido agua en su superficie y que todavía puede albergar agua líquida, a gran profundidad debajo de su superficie, hoy sabemos que nuestros océanos, ríos y lluvia son únicos y son además el sostén de la vida. Es fundamental entender los procesos y las reservas del ciclo hidrológico para poder enfrentar diferentes cuestiones, incluidas la polución y el cambio global climático.

En épocas tan tempranas como en el año 800 A.C., Homero escribió en la Ilíada sobre el océano, señalando que "de sus profundidades surgen cada río y mar, cada vertiente y fuente que fluye", sugiriéndonos la conexión de todas las aguas de la Tierra. No fue hasta el siglo XVII, sin embargo, que la noción poética del ciclo limitado del agua fue demostrada en la cuenca del Río Sena por dos físicos Franceses, Edmé Mariotte y Pierre Perrault. Independientemente, cada uno determinó que la acumulación de nieve en la boca del río era más que suficiente para explicar su propia descarga. Estos dos estudios marcaron el inicio de la hidrología, la ciencia hidrológica, y el ciclo hidrológico.

Ciclo Hidrológico

Podemos pensar el ciclo hidrológico como una serie de reservas, o áreas de almacenamiento, y una serie de procesos que causan que el agua se mueva entre estas reservas. Las reservas más grande, de lejos, son los océanos, que contienen aproximadamente un 97% del agua de la Tierra. El 3% restante es el agua dulce, tan importante para nuestra sobrevivencia. De ésta, aproximadamente 78% está almacenada en la Antártica y en Groenlandia. Aproximadamente 21% de agua dulce en la Tierra es agua almacenada en sedimentos y rocas debajo de la superficie de la tierra. El agua dulce que vemos en los ríos, arroyos, lagos y en la lluvia constituye menos del 1% del agua dulce de la Tierra y menos que el 0.1% de toda el agua de la Tierra.

Figura 1: El ciclo hidrológico. Las flechas indican el volumen del agua que viaja de una reserva a otra.

El océano y la atmósfera

El agua se mueve constantemente de una reserva a otra a través del proceso de evaporación, condensación, y precipitación. La fuerza motriz del ciclo hidrológico es el sol, que provee la energía necesaria para la evaporación, de igual manera que la llama del gas de la cocina provee la energía necesaria para hervir agua y crear vapor. El agua cambia de un estado líquido a un estado gaseoso cuando se evapora de los océanos, lagos, arroyos, y suelo de la tierra. Puesto que los océanos constituyen la reserva mayor del agua líquida, es ahí donde ocurre casi toda la evaporación. La cantidad de agua en forma de vapor en el aire varía inmensamente de un momento a otro y de un lugar a otro. Estas variaciones son conocidas como humedad.

La presencia del agua en forma de vapor en la atmósfera es uno de los factores que hace que la Tierra sea un lugar habitable para nosotros. En 1859, el naturalista Irlandés John Tyndall, empezó a estudiar las propiedades termales de los gases en la atmósfera de la Tierra. Encontró que algunos gases, como el dioxido de carbón (CO2) y el agua en forma de vapor, atrapaban el calor en la atmósfera (una propiedad comúnmente llamada efecto invernadero), mientras que otros gases como el nítrogeno (N2) y el argón (Ar) le permitían al calor escapar al espacio. La presencia del agua en la atmósfera ayuda a mantener la temperatura del aire en la superficie de la tierra entre -40° C a 55° C. Las temperaturas en los planetas sin agua en forma de vapor en la atmósfera, como Marte, se mantienen tan bajas como -100° C.

Una vez que el agua en forma de vapor está en el aire, circula en la atmósfera. Cuando un paquete de aire se eleva y se enfría, el agua en forma de vapor se condensa y se convierte en agua líquida alrededor de partículas parecidas al polvo, llamadas condensación nucléica. Inicialmente estas gotas de condensación son mucho más pequeñas que las gotas de lluvia y no son suficientemente pesadas como para formar una precipitación. Estas pequeñas gotas de agua crean nubes. A medida que las gotas continúan circulando dentro de las nubes, se unen y forman gotas más grandes que eventualmente serán suficientemente pesadas para caer como lluvia, nieve o granizo. A pesar de que la cantidad de la precipitación varía en gran medida en diferentes lugares de la Tierra, la evaporación y la precipitación están globalmente balanceadas. En otras palabras, si la evaporación aumenta, la precipitación también aumenta. El aumento de la temperatura global es un factor que podría causar un aumento global en la evaporación de los océanos mundiales, lo cual causaría una precipitación total mayor.

Puesto que los océanos cubren alrededor de 70% de la superficie de la tierra, la mayor parte de la precipitación cae de nuevo al océano y el ciclo empieza otra vez. Una porción de la precipitación cae sobre el suelo, sin embargo, y toma uno de varios caminos del ciclo hidrológico. Un poco de agua va para el suelo y las plantas, otro poco corre hacia los arroyos y lagos, otro poco se filtra en la reserva de agua del suelo terrestre, y otro poco cae en los glaciares y se acumula en forma de hielo.

El ciclo hidrológico en el suelo terrestre

La cantidad de precipitación que se absorbe en el suelo depende de varios factores: la cantidad y la intensidad de la precipitación, la condición anterior del suelo, la inclinación del paisaje, y la presencia de vegetación. Estos factores pueden a veces interactuar de manera sorprendente. Así, muchas veces, una intensa lluvia en un suelo muy árido, típico del desierto del sudoeste Norteamericano no se absorbe en el suelo y crea inundiaciones instantáneas. De esta manera, el agua que no se absorbe está disponible a las plantas. En un proceso llamado transpiración, las plantas, a través de sus raíces, toman el agua que sube a través de sus diferentes partes y se evapora de la superficie de las hojas. El agua que se absorbe en el suelo también puede seguir absorbiéndose a través del suelo hacia unas reservas terrestres llamadas acuíferos. De manera errónea, se visualiza a los acuíferos como unos lagos subterráneos. En realidad, de lo se trata es de que el agua del suelo terrestre llena los espacios porosos entre los sedimentos o rocas.

Figura 2: El agua en el suelo terrestre existe debajo del manto de agua , que divide el suelo, las rocas y los sedimentos no saturados de los saturados.

El agua que no penetra en el suelo se une y viaja a través de la superficie hasta desembocar en los arroyos y ríos que, a su vez , desembocan en el océano. La precipitación en forma de nieve en las regiones glaciares toma una ruta diferente en el ciclo hidrológico, acumulándose en las cimas de los glaciares y deslizándose despacio hacia los valles.

Los Humanos y el ciclo Hidrológico

Las propiedades del agua y el ciclo hidrológico son responsables en gran medida de los modelos de circulación que vemos en la atmósfera y en los océanos de la Tierra. La circulación atmosférica y océanica son dos de los mayores factores que determinan la distribución de las zonas clímaticas sobre la Tierra. Los cambios en el ciclo o la circulación pueden traer grandes cambios clímaticos. Por ejemplo, si la temperatura global promedio continúa aumentando, como lo ha hecho en las recientes décadas, el agua que está actualmente almacenada en forma de hielo en las capas de hielos polares, se derretirá. Esto causará un aumento en el nivel del mar. El agua también se expande cuando se calienta, lo cual exacerba el aumento del nivel del mar. Muchas de las densamente pobladas áreas costeras como Nueva Orleans, Miami y Bangladesh se verán inundadas por un aumento de un metro del nivel del mar . Adicionalmente, la aceleración del ciclo hidrológico (mayores temperaturas implican mayor evaporación y, por lo tanto, mayor precipitación) pueden resultar en un clima más severo y condiciones extremas. Algunos científicos creen que el aumento de la frecuencia y severidad de los eventos de El Niño en las décadas recientes, se debe a la aceleración del ciclo hidrológico, inducido por el calentamiento global.

Figura 3: Las áreas en rojo estarían inundadas a una altura de 1.5m al nivel del mar; las áreas en azul estarían inundadas a una altura de 3.5m a nivel del mar. La imágen ha sido modificada del original proveniente de la U.S. Environmental Protection Agency (EPA).

De manera más inmediata, cada vez se hace más evidente el límite de los recursos de agua dulce de la Tierra. El agua del suelo terrestre puede tomar miles o millones de años para recargarse naturalmente y estamos usando estos recursos mucho más rápido de lo que están siendo recargados. El manto de agua en el acuífero Ogallala, que ocupa 175,000 millas cuadradas de los Estados Unidos, desde Tejas hasta Dakota del Sur, está disminuyendo en una medida de 10-60 cm por año debido a la extracción para irrigar la zona de producción del granero de la nación. Las aguas de la superficie alrededor del mundo están contaminadas en gran medida por deshechos humanos y animales, sobre todo en países como India y China, donde los ríos de aguas no potables, proveen agua para beber, uso higiénico y doméstico a casi 2 billones de personas. A pesar de la Ley Agua Limpia en los Estados Unidos y de ciertas prácticas en algunos lugares del mundo para conservar agua (como los inodoros y duchas especiales que consumen poca cantidad) que responden a estas políticas, los problemas se incrementarán a medida que la población mundial aumente. Efectivamente, cada pozo y manantial, cada río y mar, provienen de la misma fuente. Por lo tanto, los cambios afectan no sólo a un río o lago, sino a todo el ciclo hidrológico.

Freddy Vallenilla

CRF