“Investigadores del departamento de Física de la UAB, de MATGAS y de la Autónoma de Madrid, han observado un comportamiento único del calor específico a bajas temperaturas en los vidrios ultraestables de indometacina. La investigación se publica esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences.

                     Todo es materia, es decir, está conformado por Quarks y Leptones

Los astrónomos han confirmado mediante observaciones espectroscópicas que los átomos son reralmente los mismos en cualquier lugar del Cosmos, Un átomo de Carbono en la galaxia Andrómeda es exactamente igual que un átomo de Carbono de la Galaxia Vía Láctea, son idénticos y también, idénticos, a los átomos de Carbono de la Tierra. Cinco elementos químicos desempeñan un papel estelar en la Biología terrestre:

Carbono

Oxígeno

Hidrógeno

Nitrógeno, y

Fósforo

Estos elementos están entre los más abundantes del Universo. Sin embargo, no siempre fue así. Hubo un tiempo, antes de que nacieran las primeras estrellas, que en el Universo todo era Hidrógeno y Helio, los materiales primordiales a partir de los cuales, pudieron surgir todos los demás en los hornos nucleares de las estrellas y en las explosiones supernovas.

                    Arriba tenemos el oxígeno, el agua y un átomo de carbono, y, sin ellos la vida tal como la conocemos no sería posible en nuestro Universo

Todas las leyes de la física nos muestran que la existencia y sostenimiento de la vida se asientan en equilibrios y medidas o cantidades específicas. La estructura general del universo, el lugar de la Tierra en el mismo, las características materiales de ésta –aire, luz, agua, etc.–, se basan en propiedades esenciales para nuestra supervivencia y, sobre todo eso… ¡El Carbono!

El Carbono es el elemento auténticamente vital. Merece un lugar de honor debido a una propiedad química única: los átomos de Carbono (como tantas veces expliqué aquí) pueden unirse para formar moléculas de cadena extendida, o polímeros, de variedad y complejidad ilimitadas. Las Proteínas y el ADN son dos ejemplos de dichas moléculas de cadena larga.

Si no fuera por el Carbono, la vida como la conocemos sería imposible. Probablemente sería imposible cualquier cualquier tipo de vida. Soy muy remiso (aunque no descarto nada), a que existan formas de vida que no estén basadas en el Carbono.

Cuando el Universo “empezó” con el “Big Bang”, el Carbono estaba completamente ausente. El intenso calor del nacimiento cósmico impedía cualquier núcleo atómico compuesto. En lugar de ello, el material cósmico consistía en una sopa de partículas elementales tales como protones y neutrones que pudieron conformar los núcleos de átomos de hidrógeno. Sin embargo, a medida que el universo se expandía y enfriaba durante los primeros mimutos, las reacciones nucleares transmutaron parte del hidrógeno en helio.

Muchos millones de años más tarde, en las estrellas, por algo que se llama “proceso triple Alfa”, surgió el Carbono en el Universo. No siendo el tema aquí el de explicar como se llega en las estrellas al Carbono a partir del helio, seguiremos habolando de la química cósmica.

La Química es algo más que unos tubos de ensayo, y, está presente de manera natural por todo el espacio interestelar. Allá por los 70 me llamó poderosamente la atención el descubrimiento de moléculas de amoníaco y de agua en el espacio exterior. ¿Cómo llegaron a llí? Bueno, todos conocemos esas inmensas nubes estelares que llamamos Nebulosas y, en ellas, se producen, a partir de materiales sencillos, esos cambios que tan poderosamente llaman nuestra atención.

El timo de átomo más común en el universo, después del hidrógeno y el helio, es el oxígeno. El oxígeno puede combinarse con hidrógeno para formar grupos grupos oxhidrilos (HO) y moléculas de agua (H₂O), que tiene una marcada tendencia a unirse a otros grupos y moléculas del mismo tipo que encuentren por el camino, de forma que poco a poco se van constituyendo pequenísimasm partículas compuestas por millones y millones de tales moléculas. Los grupos oxhidrilo y las moléculas de agua pueden llegar a constitur una parte importante del polvo cósmico. Allá por el año 1965 se detectó por primera vez grupos oxhidrilo en el espacio y se comenzó a estudiar su distribución. desde entonces, se han encontrado allí, moléculas más, complejas que contienen átomos de carbono, de hidrógeno y de oxígeno. También átomos de calcio, sodio, potasio y hierro han sido detectados al observar la luz que dichos átomos absorben.

                            En regiones como la que arriba podemos ver, están presentes elementos que no siempre sospechamos

Actualmente, la lista de las moléculas descubiertas en el espacio es larga y más de cien sustancias químicas la adornan, siendo muchas de esas moléculas interestelares orgánicas. La más abundante es el monóxido de carbono, pero también hay abundancia de acetileno, formaldehido y alcohol. También se han detectado moléculas orgánicas más complejas, tales como aminoácidos y HAP (hidrocarburos aromáticos policíclicos). Ahora está claro que no sólo abunda en todo el Universo elementos que favorecen la Vida, sino que también lo hacen muchas de las miléculas orgánicas realmente utilizadas por la vida. Con miles de millones de años disponibles para que la química cósmica pudiera generar dichas sustancias, ha habido tiempo más que suficiente para que estas se formen en las nubes moleculares gigantes de las que emergen las estrellas y los sistemas solares como el nuestro.

Nubes Moleculares Gigantes  en este caso (NGC 7822 en Cefeo). Colapsos gravitacionales, estrellas nuevas, vientos estelares, abundante radiación ultravioleta, todas esas fuentes de energías que dan lugar al nacimiento de estrellas nuevas, hacen también posible que, los materiales se mezclen y sufran mutaciones de simples a complejos y, a partir de ellos, nacen los nuevosm sistemas planetarios y…¡la Vida!

Que en un principio, sin temor a equivocarnos podemos decir que la génesis de la vida ha sido posible a partir de lo que en el espacio pasó, ¿qué duda nos puede caber? Incluso, no se descarta que los materiales que trajeron la vida al planeta Tierra, fuera deposita por cometas.

El cometa West, con sus colas de plasma y polvo

Los Cometas que a pesar de todo lo que sabemos de ellos, siguen siendo algo enigmáticos, incluso algunos que han sido minuciosamente observados durante siglos. Muchos son los que dicen que llevan la semilla de la Vida con ellos y, de vez en cuando, la siembran en algún planeta que, como la Tierra, recibe sus esporádicas visitas.

Mucho se podría hablar aquí de cómo llegaron a formarse los cometas a partir de aquella Nebulosa planetaria pero, no siendo el tema de hoy, lo dejaremos en lo que ya hemos explicado y que, de manera muy simple y general, os dará una idea de lo que en el Universo puede pasar y de cómo, todo se confabula para que la vida, sea posible.

En la parte primera hemos hablado de los supermicrobios y de otras cuestiones que nos acercan al saber, al menos, de cómo hemos tratado de conocer el origen de la Vida en nuestro mundo, uan pregunta que más o menos ha quedado contestada pero, a medias, toda vez que, contestar a la pregunta primera de… ¿qué es la vida? no he podido, me faltan conocimientos para ello.

Para documentarme, he leído sobre el misterioso origen de la vida, he tratado de saber qué es la vida, he buceado en la historia de las moléculas antiguas, he dado un largo paseo por el Edén de los microbios y sus dominios, he tratado de estudiar lo que es el principio de generación biológica y química, a todo ello, he añadido meros conocimientos del hueco de entropía y la Gravedad como fuente de Orden, He querido saber sobre el árbol de la vida y me he querido enterar de qué hallaron los expertos en las rocas antiguas, qué fósiles había allí como huella de la vida del pasado, también procuré saber si era posible la generación expontánea y sobre “la sopa primordial”. Me interesé sobre el Azar en relación con el Origen de la Vida.

También sobre las células replicantes que nos trajeron la vida, el código genético de la reproducción, el ARN y el ADN. No me olvidé del Polvom de Estrellas y de la Química cósmica para hacer posible una génesis a partir del espacio esterior y, en fin, muchos espacios y muchas razones más que me han llevado a conocer, lo que creemos que la vida es. Sin embargo, a pesar de todo eso, con algunos conocimientos más de los que tenía hace veinte años sobre el tema pero, sigo sin saber contestar la pregunta:

¿Qué es la Vida?

emilio silvera

Esta es nuestra casa y, debemos procurar mantenerla limpia, no por si viene una visita sino que, es vital para nosotros y para vida en general. No siempre somos conscientes del daño que muchas de nuestras actividades pueden hacer al planeta que nos cobija. Pero veámos algunos detalles que definen a este planeta único en nuestro entorno espacial.

Las fuerzas que actúan sobre la Tierra, como planeta en el espacio, tiene profundas implicaciones energéticas. La gravitación ordena y orienta, y obstaculiza y facilita los flujos de energía cinética. La rotación genera la fuerza centrífuga y la de Coriolis: la primera achata el planeta por los polos ensanchándolo por el ecuador, y la segunda desvía los vientos y las corrientes de los océanos (a la derecha del hemisferio norte y a la izquierda en el hemisferio sur). La rotación es también la causa de los ritmos diarios de las plantas y animales, y de la desaceleración de la Tierra, que alarga el día un promedio de 1’5 ms cada siglo, lo que representa una pérdida de tres teravatios por fricción de mareas.

Pero ni la gravitación ni la rotación (fricción) hacen de la Tierra un planeta único entre los cuerpos celestes de nuestro entorno. Su exclusividad procede de sus propiedades térmicas internas, que causan los ciclos geotectónicos que modifican la superficie, y de su atmósfera, océanos y plantas que transforman la radiación solar que reciben. Los orígenes de estos procesos no están claros.

Podemos fijar la edad de la Tierra en algo más de los 4.000 millones de años por la desintegración de los isótopos radiactivos, pero poco podemos asegurar sobre la formación del planeta o sobre la energética de la Tierra primitiva. Sobre el tema circulan varias teorías, y es muy plausible que el origen del Sistema Solar planetario fuera una nube interestelar densa en la que el Sol se formó por una inestabilidad gravitatoria y que la posterior aglomeración del resto de esta materia dispersa, que giraba a distintas distancias, a su alrededor, diera lugar a los planetas. No está claro si al principio la Tierra estaba extremadamente caliente o relativamente fría. Me inclino por lo primero y estimo que el enfriamiento fue gradual con los cambios de atmósferas y la creación de los océanos.

                               Esta de arriba podría ser una imagen cotidiana en la Tierra primitiva

Las incertidumbres geológicas básicas se extienden hasta el presente. Diferentes respuestas a cuestiones como la cantidad de ⁴⁰K en el núcleo terrestre o sobre la convección del magma en el manto (hay una o dos celdas) dan lugar a diferentes explicaciones para el flujo de calor y la geotectónica de la Tierra. Lo que sí está claro es que el flujo interno de calor, menos de 100 mW/m², tiene un efecto pequeño comparado con la reflexión, absorción y emisión de la radiación solar.

El balance de la radiación terrestre (R_p) en la capa alta de la atmósfera es la suma de la radiancia extraterrestre (la constante sola Q₀) reducida por el albedo planetario y el flujo saliente de larga longitud de onda (Q_i): R_p = Q₀(1-a_p) + Q_i = 0. El flujo emitido es igual a la suma de la radiación atmosférica y la terrestre: Q_i = Q_ea + Q_es. Los balances de la radiación en la atmósfera (R_a) y en la superficie de la Tierra (R_s) son iguales, respectivamente, a la diferencia entre la correspondiente absorción y emisión: R_a = Q_aa + Q_ea y R_s = Q_as + Q_es, de manera que R_p = R_a + R_s = 0. Hay que continuar explicando la radiación saliente con los flujos irradiados y emitidos por la superficie terrestre, el flujo de radiación medio absorbida, etc., etc., etc., con una ingente reseña de símbolos y tedioso esquemas que, a mi parecer, no son legibles para el lector normal y no versado en estos conocimientos. Así que, aunque sea mutilar el trabajo, desisto de continuar por ese camino y prosigo por senderos más amenos y sugestivos para el lector.

El impacto de la radiación solar en la atmósfera terrestre, en una gran tormenta solar de 2003. (Crédito: NASA / Goddard

La fuente más importante del calentamiento atmosférico proviene de la radiación terrestre de longitud de onda larga, porque el flujo de calor latente es una contribución secundaria y el flujo de calor sensible sólo es importante en las regiones áridas donde no hay suficiente agua para la evaporación. Los océanos y los continentes también reciben indirectamente, irradiadas por la atmósfera, la mayor parte de su calor en forma de emisiones de longitudes de onda larga (4 – 50 μm). En este flujo de radiación reenviado hacia la superficie terrestre por los gases invernadero, domina a la radiación del vapor de agua, que con una concentración variable, emite entre 150 y 300 W/m², y al que también contribuye el CO² con unos 75 W/m².

El intercambio de radiación de longitud de onda larga entre la superficie y la atmósfera sólo retrasa temporalmente las emisiones de calor terrestre, pero controla la temperatura de la biosfera. Su máximo es casi 400 W/m² en los trópicos nubosos, pero es importante en todas las estaciones y presenta significativas variaciones diarias. El simple paso de una nube puede aumentar el flujo en 25 W/m². Las mayores emisiones antropogénicas de gases invernadero han aumentado este flujo en cerca de un 2’5 W/m² desde finales del siglo XIX.

Como era de esperar, las observaciones de los satélites confirman que el balance de energía de la Tierra está en fase con la radiación solar incidente (Q₀), pero la radiación media saliente (Q_i) está desfasada con la irradiancia, alcanzando el máximo durante el verano en el hemisferio norte. La distribución asimétrica de los continentes y el mar explica este fenómeno. En el hemisferio norte, debido a la mayor proporción de masa terrestre, se experimentan mayores cambios estacionales que dominan el flujo global de la radiación saliente.

Quizás el resultado más sorprendente que se deriva de las observaciones por satélite sea que, estacionalmente, se observan cierto déficit y superávit de radiación y el balance de la radiación en el planeta no es igual a cero, pero sin embargo, en cada hemisferio la radiación anual está en equilibrio con el espacio exterior. Además, la contribución atmosférica por transporte de energía hacia los polos es asimétrica respecto al ecuador con valores extremos de unos 3 PW cerca de los 45º N, y -3 PW cerca de 40º S.

Podría continuar hablando sobre los vientos, los terremotos, las lluvias y otros fenómenos atmosféricos, sin embargo, no creo que, por ser estos fenómenos naturales muy conocidos de todos, pudieran tener gran interés. Pasemos pues a comentar sobre los océanos.

                                           El agua de la vida

Agua, mejor que Tierra, habría sido el nombre adecuado para el tercer planeta, puesto que los océanos cubren más del 70 por ciento de la superficie terrestre, con una profundidad media de 3’8 Km. Debido a las especiales propiedades térmicas del agua, éstas constituyen un extraordinario regulador del balance energético del planeta.

Este líquido tiene cinco ventajas termodinámicas importantes: un punto de ebullición inusualmente alto, debido a su capacidad para formar enlaces de hidrógeno intermoleculares; un calor específico de 2’5 a 3’3 veces más elevado que el del suelo; una capacidad calorífica (calor específico por unidad de volumen) aproximadamente seis veces mayor que la tierra seca; un altísimo calor de vaporización que le permite transportar una gran cantidad de calor latente; y su relativamente baja viscosidad, que le convierte en un eficiente transportador de calor en los océanos mediante miríadas de remolinos y caudalosas corrientes.

       Los océanos de la Tierra vistos desde el espacio

No es sorprendente, pues, que los océanos, que tienen cerca del 94 por ciento de toda el agua, sean determinantes en el balance energético del planeta. Cuatro quintas partes de la radiación solar que llega a la Tierra entra en la atmósfera que cubre los océanos, los cuales con un albedo superior al 6% absorben la energía con una tasa cercana a 65 PW, casi el doble de la absorción atmosférica total y cuatro veces mayor que la continental. Inevitablemente, los océanos también absorben la mayor parte, casi dos tercios, del calor rerradioirradiado hacia abajo por la atmósfera elevando su ritmo de calentamiento a los 175 PW.

Salvo en los océanos menos profundos, la interacción aire-mar no afecta directamente a las aguas profundas. Las oscuras y frías aguas de las profundidades marinas están aisladas de la atmósfera por la capa mixta, una capa de poca profundidad que va de pocos metros a pocos cientos de metros y que está afectada por los vientos y el oleaje.

A pesar de que el alto calor específico del agua limita el rango de variación, las temperaturas de esta capa sufren importantes fluctuaciones diarias y estacionales. Sin embargo, variaciones relativamente pequeñas de la temperatura de la superficie de los océanos tienen importantes consecuencias climáticas: quizás el mejor ejemplo de esta teleconexión climática sea el fenómeno del Niño, que consiste en una extensión en forma de lengua de las aguas superficiales calientes hacia el este, cuyos efectos se extienden desde Canadá hasta África del sur.

En esta “coreografía” acuática, también tiene un papel significativo el Estrecho de Dinamarca, que se alimentan de las aguas más profundas de la AMOC y las devuelve al sur a través de brechas en la cordillera de Groenlandia y Escocia. En este sentido, los científicos explican que, durante años, se ha pensado que el estrecho danés, que ha aumentado considerablemente su capacidad como consecuencia del deshielo, se abastecía de una corriente adyacente a Groenlandia.

Debido a que la conductividad térmica del agua es muy baja, la transferencia de energía de la capa mixta hacia las profundidades se realiza fundamentalmente mediante corrientes convectivas. Estas corrientes compensan la extremadamente baja fuerza ascensional de las aguas profundas, más calientes, que son desplazadas por el movimiento hacia el ecuador de las corrientes frías provenientes de los polos. En contraste con el gradual ascenso general de las aguas oceánicas, la convección hacia abajo se produce en corrientes bien delimitadas que forman gigantescas cataratas oceánicas. Seguramente la mayor es la que fluye hacia el sur bajo el estrecho de Dinamarca, entre Islandia y Groenlandia, y se sumerge unos 3’5 Km transportando 5 millones de m³/s, un caudal veinte veces mayor que el del Amazonas.

Miríadas de corrientes oceánicas, que a menudo viajan cientos de kilómetros a diferentes profundidades, transportan considerables cantidades de energía y sal. Quizás el ejemplo más importante de estas combinaciones de transportes sea la corriente de agua caliente y salada que sale del Mediterráneo a través del estrecho de Gibraltar. Este flujo caliente pero denso desciende sobre la pendiente de la plataforma continental hasta alcanzar el equilibrio entre el peso y el empuje ascensional a unos mil metros de profundidad. Aquí se separa en dos celdas lenticulares que se mueven durante siete años hacia el este y hacia el sur, respectivamente, hasta que decaen o chocan contra alguna elevación marina.

           Si el Estrecho de Gibraltar pudiera contar su historia…

Un mapa global de los flujos de calor desde la superficie oceánica hasta las capas profundas muestra claramente máximos longitudinales a lo largo del ecuador y a lo largo de aproximadamente 45º S en los océanos Atlántico e Índico. Esta transferencia es también importante en algunas áreas costeras donde se producen intensos flujos convectivos ascendentes que intercambian calor entre las aguas superficiales y las profundas, como ocurre en la costa de California y al oeste de África. Un flujo en dirección contraria, que calienta la atmósfera, se produce en las dos mayores corrientes oceánicas calientes, la corriente del Golfo en el Atlántico y la de Kuroshio en el Pacífico oriental.

Todas la regiones donde se produce este ascenso de aguas calientes (a lo largo de las costas del continente americano, África, India y la zona ecuatorial del Pacífico occidental) se distinguen fácilmente por los elevados niveles de producción de fitoplancton, causados por un importante enriquecimiento de nutrientes, comparados con los que, de otra manera, corresponderían normalmente a las aguas superficiales oligotrópicas.

La radiación transporta la mayor parte (casi 4/5) de la energía que fluye desde la capa mixta hasta la atmósfera, y el resto del flujo calorífico se produce por calor latente en forma de vapor de agua y lluvias.

                                                              Océano Atrlántico

Aún no se ha realizado una valoración cuantitativa del transporte total para cada latitud, pero en el océano Atlántico hay transferencia de calor hacia el norte a lo largo de toda su extensión, alcanzando en el trópico un valor aproximado de 1 PW, flujo equivalente al que se produce en el Pacífico norte. En el Pacífico sur, el flujo de calor hacia el polo a través del trópico es de 0’2 PW. La parte occidental del Pacífico sur puede constituir la mayor reserva de calor del Atlántico sur, de igual modo que es probable que el océano Índico sur constituya una reserva del Pacífico.

Ahora tocaría comentar algo sobre los ríos del planeta, sin embargo, lo obvio y me dirijo directamente a comentar sobre el calor de la Tierra.

Aunque la Tierra se formara inicialmente a partir de materia fría (material cósmico) que se contrajo por acción de la gravedad, durante la formación posterior del núcleo líquido y en los periodos de intensa actividad volcánica se ha liberado una enorme cantidad de calor. Los frecuentes impactos de objetos pesados también han contribuido al calentamiento de la superficie. Hay mucha incertidumbre sobre la historia térmica de la Tierra de los últimos 3.000 millones de años, durante los cuales el planeta se ha ido enfriando y una gran parte de este flujo de calor ha alimentado los movimientos geotectónicos globales, creando nueva corteza en las dorsales oceánicas; un proceso que ha ido acompañado de terremotos recurrentes y erupciones volcánicas de lava, cenizas y agua caliente.

Solamente hay dos posibles fuentes de calor terrestre, pero la importancia relativa de las respectivas contribuciones no está aún muy clara. El calor basal, liberado por un lento enfriamiento del núcleo terrestre debe representar una gran parte del flujo total, si bien cálculos basados en la desintegración radiactiva del U²³⁵, U²³⁸, Th²³² y K⁴⁰ sugieren que éste representa al menos la mitad y quizás hasta nueve décimos del flujo total de calor del planeta. Esta disparidad obedece a la incertidumbre en la concentración de K⁴⁰ en la corteza terrestre. Pero sea cual sea la proporción, el flujo total, basado en miles de medidas realizadas desde los años cincuenta, está próximo a los 40 TW.

Aunque inicialmente se pensó que los flujos continentales y oceánicos eran aproximadamente iguales, en realidad difieren de forma sustancial. Las regiones del fondo oceánico más recientes contribuyen con más de 250 mW/m², cantidad que supera hasta tres veces las zonas continentales más recientes. El flujo medio para todo el fondo marino es aproximadamente igual a 95 mW/m², lo que representa un 70% más que el correspondiente a la corteza continental. El flujo  medio global es de 80 mW/m², unos tres órdenes de magnitud inferior al valor medio del flujo de calor de la radiación solar global.

Publica: emilio silvera

La fuente del presente trabajo, aunque variada en texto e imágenes, en su mayor parte está en una guía ilustrada de la biosfera y la civilización de Vaclav Smil.