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4.2: Los ciclos biogeoquímicos y el flujo de energía en el sistema terrestre

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    Objetivos de aprendizaje

    Después de leer este módulo, los estudiantes deben ser capaces de

    • explicar el concepto de ciclo biogeoquímico, incorporando los términos “pool” y “flux”
    • describir los ciclos naturales de carbono, agua y nitrógeno
    • nombrar algunas de las formas importantes en que la actividad humana interrumpe esos ciclos

    Introducción

    Para que las personas vivan de manera sostenible, deberán comprender los procesos que controlan la disponibilidad y estabilidad de los servicios ecosistémicos de los que depende su bienestar. El principal de estos procesos son los ciclos biogeoquímicos que describen cómo los elementos químicos (por ejemplo, nitrógeno, carbono) o moléculas (por ejemplo, agua) son transformados y almacenados por componentes físicos y biológicos del sistema terrestre. El almacenamiento ocurre en charcas, que son cantidades de material que comparten alguna característica común y son de naturaleza relativamente uniforme, por ejemplo, el charco de carbono que se encuentra como dióxido de carbono (CO 2) en la atmósfera. Las transformaciones o flujos de materiales de una charca a otra en el ciclo se describen como flujos, por ejemplo, el movimiento del agua del suelo a la atmósfera resultante de la evaporación es un flujo. Los componentes físicos del sistema terrestre son factores no vivos como rocas, minerales, agua, clima, aire y energía. Los componentes biológicos del sistema terrestre incluyen todos los organismos vivos, por ejemplo, plantas, animales y microbios. Tanto los componentes físicos como biológicos del sistema terrestre han variado a lo largo del tiempo geológico. Algunos cambios emblemáticos incluyen la colonización de la tierra por plantas (hace ~400 millones de años), la evolución de los mamíferos (hace ~200 millones de años), la evolución de los humanos modernos (hace ~200 mil años) y el fin de la última edad de hielo (hace ~10 mil años). El sistema terrestre y sus ciclos biogeoquímicos fueron relativamente estables desde el final de la última edad de hielo hasta que la Revolución Industrial de los siglos XVIII y XIX inició un aumento significativo y continuo de la población y actividad humana. Hoy en día, las actividades antropogénicas (humanas) están alterando todos los ecosistemas principales y los ciclos biogeoquímicos que impulsan. Muchos elementos químicos y moléculas son críticos para la vida en la tierra, pero el ciclo biogeoquímico del carbono, el agua y el nitrógeno son los más críticos para el bienestar humano y el mundo natural.

    El ciclo del carbono natural

    La mayor parte del carbono en la Tierra se almacena en rocas sedimentarias y no juega un papel importante en el ciclo del carbono en la escala de tiempo de décadas a siglos. El charco atmosférico de CO 2 es menor [que contiene 800 GtC (gigatoneladas de carbono) = 800,000,000,000 toneladas] pero es muy importante porque es un gas de efecto invernadero. El sol emite radiación de onda corta que pasa a través de la atmósfera, es absorbida por la Tierra y reemitida como radiación de onda larga. Los gases de efecto invernadero en la atmósfera absorben esta radiación de onda larga provocando que ellos, y la atmósfera, se calienten. La retención de calor en la atmósfera aumenta y estabiliza la temperatura promedio, haciendo que la Tierra sea habitable de por vida. Más de una cuarta parte de la piscina atmosférica de CO 2 es absorbida cada año a través del proceso de fotosíntesis por una combinación de plantas en tierra (120 GtC) y en el mar (90 GtC). La fotosíntesis es el proceso en el que las plantas utilizan la energía de la luz solar para combinar el CO 2 de la atmósfera con el agua para elaborar azúcares, y a su vez construir biomasa. Casi tanto carbono se almacena en la biomasa vegetal terrestre (550 GtC) como en la piscina atmosférica de CO 2. En tierra, la biomasa que se ha incorporado al suelo forma un charco relativamente grande (2300 GtC). En el mar, el fitoplancton que realiza la fotosíntesis se hunde después de morir, transportando carbono orgánico a capas más profundas que luego se conservan en sedimentos oceánicos o se descomponen en un charco de carbono inorgánico disuelto muy grande (37,000 GtC). Las plantas son llamadas productoras primarias porque son el principal punto de entrada de carbono a la biosfera. En otras palabras, casi todos los animales y microbios dependen ya sea directa o indirectamente de las plantas como fuente de carbono para la energía y el crecimiento. Todos los organismos, incluyendo las plantas, liberan CO 2 a la atmósfera como subproducto de generar energía y sintetizar biomasa a través del proceso de respiración. El ciclo natural del carbono se equilibra tanto en tierra como en el mar, con la respiración vegetal y la respiración microbiana (gran parte asociada con la descomposición, o descomposición de organismos muertos) liberando la misma cantidad de CO 2 que se elimina de la atmósfera a través de la fotosíntesis.

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    Figura\(\PageIndex{1}\) El ciclo del carbono. Esto ilustra el ciclo del carbono sobre, por encima y por debajo de la superficie terrestre. Fuente: Programa de Ciencias Genómicas del Departamento de Energía de Estados Unidos.

    Interacciones humanas con el ciclo del carbono

    El ciclo global del carbono contribuye sustancialmente al aprovisionamiento de servicios ecosistémicos de los que dependen los humanos. Cosechamos aproximadamente 25% de la biomasa vegetal total que se produce cada año en la superficie terrestre para abastecer de alimentos, leña y fibra de cultivos, pastos y bosques. Además, el ciclo global del carbono juega un papel clave en la regulación de los servicios ecosistémicos porque influye significativamente en el clima a través de sus efectos sobre las concentraciones atmosféricas de CO 2 La concentración atmosférica de CO 2 aumentó de 280 partes por millón (ppm) a 390 ppm entre el inicio de la revolución industrial a finales del siglo XVIII y 2010. Esto reflejó un nuevo flujo en el ciclo global del carbono, la liberación antropogénica de carbono, donde los humanos liberan CO 2 a la atmósfera quemando combustibles fósiles y cambiando el uso de la tierra. La quema de combustibles fósiles toma carbono de las reservas de carbón, gas y petróleo, donde de otro modo se almacenaría en escalas de tiempo muy largas, y lo introduce en el ciclo del carbono activo. El cambio en el uso de la tierra libera carbono de los charcos de biomasa del suelo y las plantas a la atmósfera, particularmente a través del proceso de deforestación para la extracción de madera o la conversión de la tierra En 2009, el flujo adicional de carbono a la atmósfera a partir de fuentes antropogénicas se estimó en 9 GTC, una perturbación significativa del ciclo natural del carbono que había estado en equilibrio durante varios miles de años antes. Poco más de la mitad de este CO 2 antropogénico está siendo absorbido actualmente por mayor fotosíntesis por las plantas en tierra y en el mar (5 GtC). Sin embargo, eso significa que cada año se están agregando 4 GtC a la piscina atmosférica y, mientras las emisiones totales están aumentando, la proporción absorbida por la fotosíntesis y almacenada en tierra y en los océanos está disminuyendo (Le Quere et al., 2009). El aumento de las concentraciones atmosféricas de CO 2 en el siglo XX provocó aumentos de temperatura y comenzó a alterar otros aspectos del medio ambiente global. El cambio ambiental global ya ha provocado una disminución mensurable en la cosecha global de ciertos cultivos. Se prevé que la escala y el rango de impactos del cambio ambiental global de los ecosistemas naturales y agrícolas aumentarán a lo largo del siglo XXI, y supondrá un gran desafío para el bienestar humano.

    El ciclo natural del agua

    La gran mayoría del agua en la Tierra es salina (salada) y almacenada en los océanos. Mientras tanto, la mayor parte del agua dulce del mundo está en forma de hielo, nieve y agua subterránea. Esto significa que una fracción significativa de la piscina de agua está aislada en gran medida del ciclo del agua. Las principales reservas de agua dulce a largo plazo incluyen capas de hielo en la Antártida y Groenlandia, así como las piscinas de agua subterránea que se llenaron durante períodos más húmedos de la historia geológica pasada. Por el contrario, el agua almacenada en los ríos, lagos y la superficie oceánica se somete a ciclos relativamente rápidos a medida que se evapora a la atmósfera y luego vuelve a caer a la superficie como precipitación. La piscina atmosférica de agua gira más rápidamente porque es pequeña en comparación con las otras piscinas (por ejemplo, < 15% de la piscina del lago de agua dulce). La evaporación es el proceso mediante el cual el agua se convierte de un líquido en un vapor como resultado de la absorción de energía (generalmente de la radiación solar). La evaporación de tierra vegetada se conoce como evapotranspiración porque incluye agua transpirada por las plantas, es decir, agua tomada del suelo por las raíces, transportada a las hojas y evaporada de las superficies foliares a la atmósfera a través de los poros estomáticos. La precipitación es la conversión del agua atmosférica de vapor en formas líquidas (lluvia) o sólidas (nieve, granizo) que luego caen a la superficie de la Tierra. Parte del agua de la precipitación se mueve sobre la superficie terrestre por escorrentía superficial y flujo de corriente, mientras que otras aguas de precipitación se infiltran en el suelo y se mueven por debajo de la superficie como descarga de agua subterránea. El vapor de agua en la atmósfera se aleja comúnmente de la fuente de evaporación por el viento y el movimiento de las masas de aire. En consecuencia, la mayor parte del agua que cae como precipitación proviene de una fuente de evaporación que se encuentra a favor del viento. Sin embargo, las fuentes locales de evaporación pueden aportar tanto como 25-33% de agua en la precipitación.

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    Figura\(\PageIndex{2}\) El Ciclo del Agua. Esta figura ilustra el ciclo del agua sobre, por encima y por debajo de la superficie terrestre. Fuente: Departamento del Interior de Estados Unidos y Servicio Geológico de Estados Unidos, El ciclo del agua.

    Interacciones humanas con el ciclo del agua

    El suministro de agua dulce es uno de los servicios ecosistémicos de abastecimiento más importantes del que depende el bienestar humano. Para el año 2000, la tasa de nuestra extracción de agua de ríos y acuíferos había aumentado a casi 4000 kilómetros cúbicos por año. El mayor uso de esta agua es para el riego en la agricultura, pero también se extraen importantes cantidades de agua para uso público y municipal, así como para aplicaciones industriales y generación de energía. Otras intervenciones humanas importantes en el ciclo del agua implican cambios en la cobertura del suelo y desarrollo de infraestructura de redes fluviales. Al haber deforestado áreas para el suministro de madera y el desarrollo agrícola, hemos reducido la cantidad de vegetación, que naturalmente actúa para atrapar la precipitación a medida que cae y ralentizar la tasa de infiltración en el suelo. Como consecuencia, la escorrentía superficial ha aumentado. Esto, a su vez, significa que los picos de inundación son mayores y se incrementa la erosión. La erosión disminuye la calidad del suelo y deposita sedimentos en los canales de los ríos, donde puede bloquear la navegación y dañar plantas y animales acuáticos. Donde también se drena la tierra agrícola estos efectos se pueden magnificar. La urbanización también acelera el flujo de corriente al evitar que la precipitación se filtre en el suelo y lo desvíe a los sistemas de drenaje. Se ha agregado infraestructura física adicional a las redes fluviales con el objetivo de alterar el volumen, el tiempo y la dirección de los flujos de agua para beneficio humano. Esto se logra con embalses, vertederos y canales de desvío. Por ejemplo, tanta agua es removida o redirigida del río Colorado en el oeste de Estados Unidos que, a pesar de su considerable tamaño, en algunos años se seca antes de llegar al mar en México. También aprovechamos las vías fluviales a través de su uso para la navegación, recreación, generación de hidroelectricidad y eliminación de residuos. Estas actividades, especialmente la eliminación de desechos, no necesariamente implican la remoción de agua, sino que sí tienen impactos en la calidad del agua y el flujo de agua que tienen consecuencias negativas para las propiedades físicas y biológicas de los ecosistemas acuáticos.

    El ciclo del agua es clave para el servicio ecosistémico de la regulación climática además de ser un servicio de apoyo esencial que impacta la función de todos los ecosistemas. Considere los impactos generalizados en diversos sistemas naturales y humanos cuando ocurren sequías o inundaciones importantes. En consecuencia, las perturbaciones humanas del ciclo natural del agua tienen muchos efectos indeseables y desafían el desarrollo sustentable. Hay dos grandes preocupaciones. Primero, la necesidad de equilibrar la creciente demanda humana con la necesidad de hacer que nuestro uso del agua sea sostenible al revertir los daños a los ecosistemas por el exceso de remoción y contaminación del agua. Tradicionalmente, se ha hecho un énfasis considerable en encontrar y acceder a más oferta, pero ahora se aprecian los impactos ambientales negativos de este enfoque, y mejorar la eficiencia del uso del agua es ahora un objetivo importante. En segundo lugar, existe la necesidad de un suministro de agua segura en muchas partes del mundo, lo que depende de reducir la contaminación del agua y mejorar las instalaciones de tratamiento de agua.

    El Ciclo Natural del Nitrógeno

    La gran mayoría del nitrógeno en la Tierra se retiene en rocas y juega un papel menor en el ciclo del nitrógeno. El segundo reservorio más grande de nitrógeno se encuentra en la atmósfera. La mayor parte del nitrógeno atmosférico está en forma de gas N 2, y la mayoría de los organismos no pueden acceder a él. Esto es significativo porque el nitrógeno es un componente esencial de todas las células, por ejemplo, en proteínas, ARN y ADN, y la disponibilidad de nitrógeno frecuentemente limita la productividad de los cultivos y la vegetación natural. El nitrógeno atmosférico se pone a disposición de las plantas de dos maneras. Ciertos microbios son capaces de fijación por nitración biológica, por lo que el N 2 se convierte en amonio, una forma de nitrógeno a la que pueden acceder las plantas. Muchos de estos microbios han formado relaciones simbióticas con las plantas: viven dentro del tejido vegetal y utilizan el carbono suministrado por la planta como fuente de energía, y a cambio comparten amoníaco producido por la fijación de nitrógeno. Ejemplos bien conocidos de plantas que hacen esto son los guisantes y los frijoles. Algunos microbios que viven en el suelo también son capaces de fijación de nitrógeno, pero muchos se encuentran en una zona muy cercana a las raíces, donde se liberan importantes fuentes de carbono de la planta. En conjunto estos procesos biológicos de fijación de nitrógeno en tierra, aunados a otros que tienen lugar en el mar, generan un flujo anual fuera de la atmósfera de aproximadamente 200 mTn (megatonnenas de nitrógeno o 200 millones de toneladas de nitrógeno). Los rayos hacen que el nitrógeno y el oxígeno en la atmósfera reaccionen y produzcan óxidos nitrosos que caen o son lavados de la atmósfera por la lluvia y hacia el suelo, pero el flujo de is es mucho menor (30 mTn por año como máximo) que la fijación biológica de nitrógeno.

    Si bien los insumos de nitrógeno de la atmósfera a la biosfera son importantes, la mayoría (90%) del nitrógeno utilizado por las plantas para el crecimiento cada año proviene de la amonificación de material orgánico. El material orgánico es materia que proviene de organismos que alguna vez estuvieron vivos. La amonificación (o mineralización) es la liberación de amoníaco por los descomponedores (bacterias y hongos) cuando descomponen los compuestos complejos de nitrógeno en material orgánico. Las plantas son capaces de absorber (asimilar) este amoníaco, así como los nitratos, que se ponen a disposición por nitrificación bacteriana. El ciclo de incorporación de nitrógeno en los tejidos vegetales en crecimiento y la liberación de nitrógeno por bacterias de los tejidos vegetales en descomposición es la característica dominante del ciclo del nitrógeno y ocurre de manera muy eficiente. El nitrógeno se puede perder del sistema de tres maneras principales. Primero, las bacterias desnitrificantes convierten los nitratos en óxido nitroso o gases N 2 que se liberan de nuevo a la atmósfera. La desnitrificación ocurre cuando las bacterias crecen en condiciones de agotamiento de oxígeno y, por lo tanto, se ve favorecida por suelos húmedos y anegados. Las tasas de desnitrificación casi coinciden con las tasas de fijación biológica de nitrógeno, siendo los humedales el mayor aporte. Segundo, los nitratos son lavados del suelo en aguas de drenaje (lixiviación) y hacia los ríos y el océano. En tercer lugar, el nitrógeno también se vuelve a reciclar a la atmósfera cuando se quema material orgánico.

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    La figura ilustra el ciclo del nitrógeno sobre, por encima y por debajo de la superficie terrestre. Fuente: Libro electrónico Fundamentos de Geografía Física.

    Interacciones humanas con el ciclo del nitrógeno

    Los humanos dependen principalmente del ciclo del nitrógeno como un servicio ecosistémico de apoyo para la productividad de los cultivos y los bosques. Se agregan fertilizantes nitrogenados para potenciar el crecimiento de muchos cultivos y plantaciones. El uso mejorado de fertilizantes en la agricultura fue una característica clave de la revolución verde que impulsó los rendimientos mundiales de los cultivos en la década de 1970. La producción industrial de fertilizantes ricos en nitrógeno ha aumentado sustancialmente con el tiempo y ahora iguala más de la mitad del aporte a la tierra a partir de la fijación biológica de nitrógeno (90 mTn cada año). Si se incluye la fijación de nitrógeno de cultivos leguminosos (por ejemplo, frijol, alfalfa), entonces el flujo antropogénico de nitrógeno de la atmósfera a la tierra excede los flujos naturales hacia la tierra. Como se describió anteriormente, la mayoría de los ecosistemas retienen y reciclan de forma natural casi todo su nitrógeno. El relativamente poco nitrógeno que se está ganando o perdiendo por los flujos a la atmósfera y al ciclo del agua también está casi equilibrándose. Cuando los humanos hacen grandes adiciones de nitrógeno a los ecosistemas, a menudo se producen fugas, con consecuencias ambientales negativas. Cuando la cantidad de nitrato en el suelo excede la absorción de plantas, el exceso de nitrato es lixiviado en aguas de drenaje a arroyos, ríos y océano o desnitrificado por bacterias y perdido a la atmósfera. Uno de los principales gases producidos por las bacterias desnitrificantes (óxido nitroso) es un importante gas de efecto invernadero que está contribuyendo al calentamiento global inducido por el ser humano. Otros gases liberados a la atmósfera por bacterias desnitrificantes, así como el amoníaco liberado del ganado y los lodos de aguas residuales, son posteriormente depositados desde la atmósfera sobre los ecosistemas. El nitrógeno adicional de esta deposición, junto con la lixiviación de nitrógeno en vías fluviales, provoca eutrofización. La eutrofización ocurre cuando el crecimiento y luego la descomposición de las plantas se aceleran por un suministro inusualmente alto de nitrógeno, y tiene efectos secundarios, incluyendo los siguientes: ciertas especies de plantas superan a otras especies, lo que lleva a la pérdida de biodiversidad y la función alterada del ecosistema; floraciones de algas que bloquean la luz y por lo tanto, matan plantas acuáticas en ríos, lagos y mares; agotamiento de los suministros de oxígeno en el agua causado por la rápida descomposición microbiana al final de las floraciones de algas, que mata a muchos organismos acuáticos. El exceso de nitratos en los suministros de agua también se ha relacionado con problemas de salud humana. Los esfuerzos para reducir la contaminación por nitrógeno se enfocan en aumentar la eficiencia del uso de fertilizantes sintéticos, alterar la alimentación de los animales para reducir el contenido de nitrógeno en sus excrementos, y un mejor procesamiento de los desechos ganaderos y lodos de aguas residuales para reducir la liberación Al mismo tiempo, la creciente demanda de producción de alimentos por parte de una creciente población mundial con mayor apetito por la carne está impulsando un mayor uso total de fertilizantes, por lo que no hay garantía de que mejores prácticas conduzcan a una reducción en la cantidad global de contaminación por nitrógeno.

    Preguntas de revisión

    1. Hay aproximadamente 2,000 kilómetros cúbicos de agua almacenados en ríos de todo el mundo. Usando los términos ciclo del agua, flujo y alberca, describir bajo qué condiciones eliminar 1000 kilómetros cúbicos por año de los ríos para uso humano podría ser sustentable.
    2. Cada año, alrededor de una cuarta parte del dióxido de carbono que se encuentra en la atmósfera se convierte en materia vegetal a través de la fotosíntesis. ¿Significa esto que, en ausencia de actividad humana, todo el dióxido de carbono se eliminaría de la atmósfera en alrededor de cuatro años? Explica tu respuesta.
    3. Los ciclos de agua, carbono y nitrógeno están todos influenciados por la actividad humana. ¿Se puede describir una actividad humana que impacta los tres ciclos? En su ejemplo, ¿cuál de los ciclos se ve alterado más significativamente?

    Referencias

    Le Quere, C., Raupach, M. R., Canadell, J. G., Marland, G., Bopp, L., Ciais, P., et al. (2009, diciembre). Tendencias en las fuentes y sumideros del dióxido de carbono. Naturaleza Geociencia, 2, 831-836. doi: 10.1038/ngeo689

    Evaluación de Ecosistemas del Milenio (2005). Ecosistemas y Bienestar Humano: Síntesis. Washington D.C. Recuperado de www.maweb.org/es/reports.aspx

    Glosario

    amonificación
    La liberación de amoníaco por los descomponedores cuando descomponen los compuestos complejos de nitrógeno en material orgánico
    emisiones antropógenas de CO 2
    Liberación humana de CO 2 a la atmósfera mediante la quema de combustibles fósiles y el cambio de uso del suelo.
    asimilación
    Adquisición e incorporación de nutrientes o recursos por plantas por ejemplo nitrógeno o carbono.
    ciclos biogeoquímicos
    Un concepto que describe cómo los elementos químicos (por ejemplo, nitrógeno, carbono) o moléculas (por ejemplo, agua) son transformados y almacenados por componentes físicos y biológicos del sistema terrestre.
    componentes biológicos del sistema terrestre
    Todos los organismos vivos, incluyendo plantas, animales y microbios.
    Fijación biológica de nitrógeno
    Donde los microbios convierten el gas N 2 de la atmósfera en amonio que puede ser absorbido por las plantas.
    descomponedores
    Bacterias y hongos que descomponen el material orgánico en descomposición, liberando elementos componentes en el proceso.
    bacterias desnitrificantes
    Microbios que convierten nitratos en óxido nitroso o N 2 gases que se liberan de nuevo a la atmósfera.
    eutrofización
    Crecimiento acelerado de las plantas y descomposición causada por la contaminación nitrogenada.
    evaporación
    El proceso mediante el cual el agua se convierte de un líquido en un vapor, como resultado de la absorción de energía (generalmente de la radiación solar).
    evapotranspiración
    Evaporación de tierra vegetada que incluye agua transpirada por las plantas así como evaporación de aguas abiertas y suelos.
    fundentes
    Transformaciones o flujo de materiales de un charco a otro en un ciclo biogeoquímico.
    gases de efecto invernadero
    Gases en la atmósfera terrestre que absorben la radiación de onda larga y retienen el calor.
    descarga de agua subterránea
    Flujo de agua desde debajo del suelo hacia ríos, lagos o el océano.
    infiltración
    Flujo de agua desde la superficie terrestre hacia suelos y rocas.
    cambio de uso de suelo
    Cambio humano en el uso de la tierra, por ejemplo deforestación o urbanización.
    lixiviación
    Pérdida de nitratos del suelo en aguas de drenaje
    nitrificación
    Conversión de amoníaco en nitratos por microbios.
    fotosíntesis
    El proceso en el que las plantas utilizan la energía de la luz solar para combinar el CO 2 de la atmósfera con el agua para elaborar azúcares, y a su vez construir biomasa.
    componentes físicos del sistema terrestre
    Factores no vivos como rocas, minerales, agua, clima, aire y energía.
    albercas
    Cantidades de material en ciclos biogeoquímicos que comparten alguna característica común y son de naturaleza relativamente uniforme.
    precipitación
    La conversión del agua atmosférica de vapor en formas líquidas (lluvia) o sólidas (nieve, granizo) que luego caen a la superficie de la Tierra.
    productores primarios
    El principal punto de entrada del carbono a la biosfera, en casi todos los ecosistemas terrestres y acuáticos, las plantas desempeñan este papel en virtud de la fotosíntesis.
    respiración
    Proceso metabólico en todos los organismos que genera energía y sintetiza biomasa liberando CO 2 como subproducto.
    flujo de corriente
    Flujo de agua en arroyos.
    escorrentía superficial
    Flujo de agua sobre la superficie terrestre.

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