8.2: La hidrosfera

El agua, fórmula química H ₂ O, comprende la hidrosfera (Figura 8.1). Como se discute con más detalle en el Capítulo 9, aunque tiene una fórmula química simple, el agua es en realidad una sustancia muy compleja en gran parte debido a la polaridad de la molécula de agua y a la capacidad de formar enlaces de hidrógeno. El agua participa en uno de los grandes ciclos naturales de la materia, el ciclo hidrológico ilustrado en la Figura 8.1. Básicamente, el ciclo hidrológico es alimentado por energía solar que evapora el agua como vapor de agua atmosférico de los océanos y cuerpos de agua dulce de donde puede estar

Figura 8.1. La hidrosfera se superpone fuertemente con todas las demás esferas ambientales. Esta ilustración muestra el agua en cuerpos de agua, subterránea como agua subterránea, en paquete de nieve, en plantas en la biosfera, como gotitas y vapor en la atmósfera, y en sistemas de distribución de agua y torres de enfriamiento en la antrosfera. El ciclo del agua en el ambiente es el ciclo hidrológico que se muestra aquí en el que la energía solar evapora el agua de los océanos, cuerpos de agua superficiales, suelo y plantas (transpiración) y el agua en la atmósfera se transporta a distancia (a veces miles de kilómetros), cae de nuevo a la Tierra como precipitación, se infiltra en parte en el agua subterránea, se mueve en la superficie de la Tierra en ríos, de vuelta en parte a los océanos, luego se evapora para renovar el ciclo.

transportados por las corrientes de viento a través de la atmósfera para caer como lluvia, nieve u otras formas de precipitación en áreas alejadas de la fuente. Además de transportar agua, el ciclo hidrológico transporta la energía absorbida como calor latente cuando el agua es evaporada por la energía solar y liberada como calor cuando el agua se condensa para formar precipitación.

La hidrosfera se muestra en la Figura 8.1, que también ilustra su relación con las demás esferas ambientales. Un notable 97.5% del agua de la Tierra es agua salada en los océanos. Del agua dulce restante, 1.7% del agua total de la Tierra está en hielo polar y en la capa de hielo de Groenlandia. Esto deja solo alrededor del 0.77% del agua de la Tierra como agua dulce para organismos que no sean los que habitan en el océano y para su uso por los humanos. Esta agua dulce se encuentra en lagos naturales, ríos, embalses hechos por humanos, y bajo tierra como agua subterránea. En cualquier momento dado una fracción minúscula, pero muy importante está contenida en la antrosfera, como en los sistemas de distribución de agua.

El agua es la sustancia más utilizada por los organismos en la antrosfera. Los humanos usan agua en sus hogares para beber, preparar alimentos, limpiar y eliminar desechos, extraer agua de ríos, embalses hechos por embalses de ríos y bombear desde acuíferos subterráneos. El agua en movimiento es una de las formas de poder más antiguas que aprovechan los humanos. Las ruedas de agua se remontan a más de 2000 años y la energía hidroeléctrica sigue siendo la principal fuente de energía renovable. El vapor de agua caliente (vapor) es ampliamente utilizado para la transferencia de calor en la industria y en edificios y es el mayor medio de generación de energía eléctrica a través del mecanismo de turbinas de vapor acopladas a generadores eléctricos.

La sustentabilidad exige la consideración del recurso hídrico, cuya escasez resultante de las sequías inducidas por el clima ha causado graves problemas a muchos organismos y declive de las principales civilizaciones. Inundaciones devastadoras desplazan e incluso matan a un gran número de personas en todo el mundo y destruyen hogares y otras estructuras. Las sequías severas reducen la productividad de las plantas, lo que resulta en escasez de alimentos para humanos y animales en ecosistemas naturales y, a menudo, requieren el sacrificio de animales de granja. Se teme que tanto la sequía como la gravedad de las inundaciones ocasionales empeoren mucho como resultado del calentamiento global provocado por el aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera (ver Capítulo 10, Sección 10.6).

El mantenimiento de poblaciones humanas sanas y prósperas requiere la consideración tanto de la calidad como de la cantidad del agua. Las enfermedades transmitidas por el agua como el cólera y la fiebre tifoidea han matado a millones de personas y estas y otras, especialmente la disentería, son problemas en áreas menos desarrolladas que carecen de un saneamiento adecuado. La prevención de la contaminación del agua ha sido uno de los principales objetivos del movimiento ambiental y evitar la descarga de productos químicos contaminantes nocivos del agua es uno de los principales objetivos de la práctica de la tecnología verde. Los suministros de agua son una preocupación con respecto al terrorismo por su potencial de contaminación deliberada con agentes biológicos o químicos.

Desde la antigüedad, los humanos han construido depósitos de agua para el almacenamiento de agua y diques y presas para el control de inundaciones. Dichas medidas de gestión hídrica han permitido el desarrollo de grandes poblaciones en regiones áridas y en zonas vulnerables a las inundaciones. Sin embargo, ocurren sequías inusualmente severas y prolongadas y en tiempos pasados civilizaciones enteras han sido aniquiladas como resultado. Los efectos de las sequías severas se ven exacerbados por el hecho de que el control del suministro de agua ha permitido un crecimiento excesivo en áreas deficientes de agua. La región metropolitana de Las Vegas de Estados Unidos y la Ciudad de México en México son ejemplos de regiones metropolitanas que han superado la capital natural del agua disponible para ellas.

Las inundaciones causan cientos de millones de dólares en daños a comunidades donde la construcción de diques y embalses de ríos han permitido desarrollos agrícolas y de otro tipo en áreas propensas a inundaciones que se ven abrumadas por eventos de inundación “centenarios”. Tal incidente tuvo lugar a lo largo del río Missouri en 1993 cuando una inundación de 500 años desbordó la mayoría de las estructuras de protección. La falla de los sistemas de protección causó una devastación mucho mayor de la que de otro modo hubiera sido el caso cuando el huracán Katrina destruyó gran parte de Nueva Orleans en 2005. Después de la inundación del río Missouri de 1993, se tomaron acciones sensatas en algunas áreas donde las propiedades agrícolas a lo largo del río Missouri fueron compradas por agencias gubernamentales y permitieron volver al hábitat de vida silvestre en su estado natural, lo que incluyó inundaciones periódicas. Hubiera sido sensato para el futuro de Nueva Orleans trasladar áreas ubicadas bajo el nivel del mar e inundadas por fallas de diques en 2005 a un terreno más alto y evitar tratar de frustrar la tendencia natural del agua a buscar niveles más bajos donde los humanos puedan intentar vivir.

Los problemas con el suministro de agua se discuten en el Capítulo 9. La Figura 9.2, que muestra los patrones de lluvia en los Estados Unidos continentales, revela que el este continental de Estados Unidos recibe lluvias generalmente adecuadas, aunque aún pueden ocurrir sequías dañinas en esa región. Sin embargo, a excepción de las regiones costeras del norte, la mitad occidental de los Estados Unidos continentales es deficiente en agua. Las áreas deficientes de agua de Estados Unidos, incluyendo el sur de California, Arizona, Nevada y Colorado, han exhibido algunos de los crecimientos más rápidos de la población en las últimas décadas, lo que ha ejercido una presión creciente sobre los limitados suministros de agua y haciendo que la región sea vulnerable a sequías Aún hay problemas de abastecimiento de agua mucho más severos en otras partes del mundo, como secciones de África y Oriente Medio, incluida la zona de Palestina e Israel.

Daño a la Hidrosfera

La Tierra ya podría haber perdido la mayor parte de su agua a excepción de una característica atmosférica muy afortunada, el límite muy frío de la tropopausa en la parte superior de la troposfera atmosférica. A una temperatura muy por debajo del punto de congelación del agua, esta región convierte el vapor de agua en hielo que permanece en la troposfera y participa en el ciclo hidrológico. Si no fuera este el caso, el vapor de agua se infiltraría en la siguiente capa atmosférica superior, la estratosfera, donde la radiación ultravioleta solar altamente energética dividiría los átomos de H de las moléculas H ₂ O. Estos mismos átomos de luz y moléculas H ₂ formadas a partir de ellos se habrían difundido al espacio, dejando a la Tierra con un árido paisaje marciano. De hecho, probablemente haya una afluencia neta de agua a la atmósfera terrestre a partir de meteoritos que en gran parte están compuestos por agua.

Aunque el agua no se destruye en la Tierra, la hidrosfera ciertamente puede sufrir daños por las actividades humanas. Una de las principales es la utilización excesiva del agua en las regiones áridas. La retirada del agua de riego de los ríos en regiones áridas ha reducido algunos ríos que alguna vez fueron poderosos a goteos para cuando llegan al océano. El agua no se destruye, sino que se evapora y en algunos casos se infiltra hasta debajo del suelo.

La Ciudad de México manifiesta uno de los problemas más graves del uso excesivo del agua, el agotamiento de las aguas subterráneas. Esta ciudad altamente poblada fue construida sobre un antiguo lecho de lago, y el bombeo excesivo de agua subterránea ha causado hundimiento del suelo y daños a las estructuras superficiales. En Estados Unidos, el uso despilfarrador de las aguas subterráneas se ilustra por el agotamiento del Acuífero de las Altas Llanuras (Figura 8.2) comúnmente llamado acuífero de Ogallala. Compuesto en gran parte por agua fósil restante de la última

Figura 8.2. El agua del vasto acuífero de Ogallala, un valioso recurso que queda de la última Edad de Hielo, ha sido explotada y agotada imprudentemente para cultivar cultivos intensivos en agua en regiones semiáridas que normalmente no soportan tales cultivos. Las áreas delineadas en negro son las del suroeste de Kansas y el Panhandle de Texas donde el agotamiento ha sido especialmente severo.

La Edad de Hielo, el acuífero de Ogallala se encuentra debajo de gran parte de Nebraska, el oeste de Kansas, los panhandles de Oklahoma y Texas, y pequeñas secciones del este de Wyoming, Colorado y Nuevo México. A pesar de que se recarga a partir del agua superficial en partes de Nebraska, está compuesta en gran parte de agua fósil de la última Edad de Hielo. Contiene una cantidad asombrosa de agua, ¡suficiente para cubrir todo Estados Unidos a una profundidad de alrededor de 1.5 metros!

Desde la década de 1940, grandes cantidades de agua bombeada desde el acuífero de Ogallala se han utilizado para regar maíz y otros cultivos que normalmente no se adaptan a la región de las Altas Llanuras. En consecuencia, el nivel freático (nivel alcanzado por el agua en un pozo perforado en un acuífero, Figura 8.3) ha descendido dramáticamente, superando los 50 metros en algunas zonas, En la única década que comenzó en 1995, el nivel del agua bajó 6 metros en medio del cinturón de maíz irrigado de Kansas alrededor de Ulises, Kansas. Tal agotamiento insostenible del agua obligará a pasar de cultivos sedientos, como el maíz, a aquellos que requieren menos agua, como el milo.

Figura 8.3. Los niveles de agua en un acuífero pueden estar directamente influenciados por las actividades humanas. Los niveles de agua se reducen por la extracción de agua de los pozos. La recarga de acuíferos puede ser ayudada por la infiltración de agua de las cuencas extendidas en la superficie o por la inyección directa de agua

El agotamiento de los suministros de agua tiene numerosas implicaciones para la sustentabilidad. Claramente, Estados Unidos puede satisfacer sus demandas alimentarias sin explotar el acuífero de Ogalla y otras fuentes de agua decrecientes. Un impulso importante del plan energético de Estados Unidos —tal como es— ha sido el aumento de la producción de biocombustibles —etanol a partir de la fermentación del azúcar de glucosa derivado del maíz y el combustible biodiesel de la soja. El consumo voraz de agua de riego requerido para cultivar suficiente de estos cultivos para marcar una diferencia significativa en los recursos de combustible no es sustentable. Algunos suministros de agua subterránea deben ser considerados como recursos agotables y reservados para suministros municipales de agua y manufactura, que requieren sólo una fracción de agua que el riego.

Sosteniendo la hidrosfera

Afortunadamente, el ciclo hidrológico alimentado por energía solar y el suministro inagotable de agua en los océanos de la Tierra hacen del agua uno de los recursos más renovables de la naturaleza. El agua nunca se consume ni se destruye realmente, aunque puede llegar a contaminarse o dispersarse tanto que su recuperación no es práctica. Incluso el agua que se infiltra en el suelo puede ser considerada como agua reciclada porque renueva las fuentes de agua subterránea. Si bien la idea de hacerlo ha impedido en gran medida los esfuerzos por reciclar completamente el agua que ha pasado por los sistemas de alcantarillado doméstico, el reciclaje de esta agua después de la purificación tendrá que practicarse en algunas áreas deficientes de agua en el futuro. De hecho, reciclar las aguas residuales ha sido desde hace mucho tiempo la práctica donde los municipios toman sus suministros de agua de ríos en los que otros municipios descargan aguas residuales tratadas. Un desarrollo muy favorable durante los últimos 30 años es que la tendencia hacia el uso cada vez mayor del agua que prevaleció en Estados Unidos hasta alrededor de 1980 se ha estabilizado debido a procesos industriales y de riego más eficientes y parece que la utilización total del agua se mantendrá relativamente constante en Estados Unidos hacia el futuro.

Como lo ejemplifica la explotación del acuífero de Ogallala antes comentada, la manipulación humana de la hidrosfera para proporcionar agua a menudo ha tenido efectos adversos. Sin embargo, la aplicación de los principios de la ciencia y la tecnología verdes puede permitir el suministro de agua a áreas deficientes de agua sin dañar el medio ambiente e incluso con la mejora de la calidad del agua. A diferencia de los ríos Colorado y Río Grande sobreutilizados del suroeste de Estados Unidos, el enorme flujo del río Mississippi podría aprovecharse para áreas deficientes de agua. Un esquema sería desviar una fracción de este flujo cerca de la desembocadura del Mississippi donde descarga al Golfo de México y bombear el agua usando abundante energía eólica a regiones áridas del suroeste y norte de Estados Unidos. El agua del río Mississippi retenida durante algún tiempo en humedales construidos cerca del punto del desvío podría someterse a autopurificación, recolectando sedimentos que acumulen masa de tierra y eliminando nutrientes que ahora son dañinos para la calidad del agua en el Golfo de México. Las plantas acuáticas que crecen en los humedales y prosperan con la escorrentía de fertilizantes de la cuenca aguas arriba de Mississippi podrían eliminar nutrientes que ahora son dañinos para la calidad del agua en el Golfo de México.

La recarga de agua subterránea es otra clave para la sustentabilidad hídrica que se practica en algunas partes del mundo. La mayor parte de la recarga de agua subterránea ocurre de forma natural, aunque se ha reducido por pavimentación y modificaciones superficiales en la antrosfera. Las construcciones antrosféricas en la superficie pueden diseñarse para maximizar la recarga. Por ejemplo, algunas superficies de pavimentación en China han sido hechas de materiales porosos que permiten que el agua penetre en el suelo de abajo. Dos de los enfoques más activos para la recarga de agua subterránea se muestran en la Figura 8.3. Uno de ellos es el agua bombeada a un pozo que se extiende bajo tierra e incluso hasta el propio acuífero. Las superficies de estos conductos pueden obstruirse con limo, crecimientos bacterianos y otros materiales suspendidos en el agua de recarga y pueden tener que limpiarse periódicamente. Una cuenca de expansión consiste en un reservorio de agua excavado en material geosférico poroso del cual el agua fluye hacia el acuífero. Una ventaja es la purificación del agua que se produce a través del contacto con la materia mineral, pero el proceso no funciona bien si los acuíferos están superpuestos por capas poco permeables