El segundo principio de la termodinámica se refiere a la inevitable realidad de que a lo largo de la cadena de transformación de la energía se va perdiendo la capacidad de realizar un trabajo útil. Hay una magnitud asociada con esta pérdida de utilidad de la energía que se llama entropía; en cada transformación la energía se conserva, pero la entropía del sistema en su conjunto sólo puede aumentar. No hay nada que podamos hacer contra esta disminución de utilidad. Un barril de petróleo es un almacén de energía muy útil y de baja entropía que se puede transformar en calor, electricidad, movimiento y luz. Las moléculas calientes de aire emitidas por el tubo de escape de un motor o la luz que rodea una bombilla representan un estado de alta entropía en el que se producen irrecuperables pérdidas de utilidad.

En un sistema cerrado, este proceso unidireccional de disipación entrópica tiene la inevitable consecuencia de una pérdida de la complejidad y un aumento de la homogeneidad. Esto se puede ver si usted compara la multitud de moléculas orgánicas que componen el petróleo con la monotonía de unos pocos tipos de moléculas sencillas que forman los gases del tubo de escape.

Por el contrario, todos los organismos vivos (desde las bacterias hasta las civilizaciones humanas) son sistemas abiertos, que están importando y exportando energía constantemente; son capaces de mantenerse en estado de desequilibrio químico y termodinámico, creciendo y evolucionando hasta una mayor heterogeneidad y complejidad. Desafían temporalmente la tendencia entrópica.

No conviene utilizar unidades inadecuadas para medir esta gran variedad de procesos, porque casi siempre las cifras estarían seguidas o precedidas de muchos ceros. Tanto el julio como el vatio representan respectivamente cantidades muy pequeñas de energía y potencia. Aproximadamente 30 microgramos de carbón o 2 segundos de metabolismo de un ratón de campo equivalen a 1 julio. Un vatio es la potencia de una pequeña vela encendida o el vuelo rápido de un colibrí.

Como los múltiplos son inevitables, se introduce una serie de prefijos para abreviar los múltiplos más útiles: un kilogramo de buen carbón equivale a cerca de 30 millones de julios, 30 mega-julios (MJ) de energía, y el consumo actual de combustibles fósiles en el mundo es aproximadamente diez billones de vatios, 10 tera-vatios (TW). Los mismos prefijos se añaden a las unidades de energía eléctrica: el voltio (v) es una medida de la diferencial de potencial entre dos puntos de un conductor, y el amperio (A), que mide la intensidad de la potencia eléctrica. La potencia de un sistema eléctrico es el producto de la diferencia de potencial y la intensidad de la corriente, lo que significa que un vatio es igual a un voltio por un amperio.

En la anterior tabla se relaciona una lista completa de los múltiplos y submúltiplos, algunos de los cuales se usan con mucha menos frecuencia cuando se trata de flujos de energías cotidianos.

Relación energética del Sol y la Tierra

Mientras  en el núcleo del Sol quede suficiente hidrógeno para mantener las reacciones termonucleares, la estrella que nos alumbra inundará la Tierra con radiación solar, que suministra la energía necesaria para mantener la mayoría de los procesos físicos y químicos que se producen en nuestro planeta.

Esta radiación calienta la atmósfera y el océano, genera vientos y lluvias y sostiene el inexorable proceso de la denudación. De todas las conversiones generadas de las energías globales que se producen en la Tierra, las geotectónicas (la lenta modificación del fondo oceánico y de los continentes, acompañada de terremotos y las espectaculares liberaciones energéticas de los volcanes), son las únicas que no proceden de la radiación solar, sino de la gravedad y de la liberación gradual del calor terrestre.

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La luz solar también suministra la energía necesaria para la fotosíntesis, la más importante transformación bioquímica, creando nueva biomasa en bacterias, fitoplancton, plantas superiores y, sobre todo, en bosques y praderas. Esta síntesis es el fundamento de la cadena alimenticia necesaria para el metabolismo heterótrofo de animales y personas, a los cuales la nutrición les permite desarrollar actividades que van desde una simple carrera a trabajos más elaborados, como la ocupación laboral y el ocio.

Así de importante es la luz. Las sociedades humanas, desde los pequeños grupos de cazadores o pastores hasta las sociedades más complejas que dependen de los enormes flujos de combustibles fósiles y electricidad, han estado ineludiblemente ligadas al continuo flujo de energía solar y a los almacenamientos energéticos procedentes de la misma.

El proceso de formación de carbón a partir de restos vegetales acumulados en zonas acuáticas y sumergidos, de tal manera que estaban aislados de la atmósfera, sufrieron una transformación por efecto de las bacterias anaeróbicas, que aumentan la concentración de carbono de los azúcares y desprenden gases, como metano y anhídrido carbónico. Así se forma una masa gelatinosa de turba. Posteriormente, ésta se hunde y sobre ella se van depositando nuevas capas. Las más inferiores pueden sufrir transformaciones metamórficas debido a la elevada presión y temperatura que soportan, convirtiéndose en grafito. Las condiciones biológicas, climáticas y estructurales más favorables para que tenga lugar esta serie de transformaciones se dieron durante el periodo carbonífero, que en Eurasia y Norteamérica se encontraban situadas en posición tropical y cubiertas de grandes bosques próximos al mar, que se inundaron debido a los movimientos verticales causados por la orogenia hercínica. Los yacimientos de carbón de mayor antigüedad proceden del devónico y los más modernos del cuaternario inferior.

El proceso de formación del petróleo se origina a partir de acumulaciones de plancton marino que sufre transformaciones, semejantes a la carbonización, por bacterias anaeróbicas, y que dan lugar a una materia denominada sapropel y posteriormente a la mezcla de hidrocarburos típica del petróleo. Esta transformación de hidrocarburos suele tener lugar al mismo tiempo que el proceso de sedimentación de arenas y arcillas que se transformarán en areniscas y margas, y quedarán impregnadas por el petróleo, dando lugar a las rocas madre de éste. Cuando éstas sufren presiones orogénicas o simplemente quedan sometidas a una mayor presión al hundirse los sedimentos, el petróleo migra hasta encontrarse con rocas impermeables que impiden su avance y se acumula en el subsuelo, generando los verdaderos yacimientos petrolíferos.

Los hidrocarburos gaseosos están acumulados en la parte superior de estos yacimientos de petróleo (aceites de roca: del latínpetram, “piedra” yoleum, “aceite”), que es un aceite mineral hidrocarbonato, oleaginoso, inflamable, de olor acre, densidad inferior a la del agua y cuyo color varía desde el negro al incoloro. Consta principalmente de hidrocarburos líquidos, en los que se encuentran disueltos hidrocarburos sólidos (asfaltos y betunes) y gaseosos (metano, butano y acetileno); también contiene pequeñas porciones de nitrógeno, azufre, oxígeno, colesterina, porfirinas, vanadio, níquel, cobalto y molibdeno. De todo esto, mediante procesos industriales de refinado, se obtienen los productos de todos conocidos como la gasolina, nafta, queroseno, gasóleo, etc.

Su combustión es una de las fuentes más importantes de contaminación por los elevados porcentajes de azufre y otras materias que contiene. Sin embargo, por obtener esta fuente de contaminación y “riqueza” se crean conflictos que desembocan en las guerras que azotan nuestro mundo.

Ahora, después de esta breve explicación, sabemos un poco más sobre esta materia prima que ha servido, y continuará aún algún tiempo sirviendo de base a muchas generaciones pasadas y alguna menos futura: civilizaciones del combustible sólido, con su profesión de servicios energéticos, transporte generalizado y exceso de información (no siempre deseable, ya que si elimináramos el 80% de las programaciones televisivas, el mundo sería algo más culto y estaría menos embrutecido).

Un observador extraterrestre no podría encontrar nada extraordinario que le permitiera distinguir el Sol entre las millones de estrellas similares que existen en la nuestra y otras galaxias, y que a su vez representan una fracción de cientos de miles de millones de cuerpos radiantes que las forman. Como se ha dicho otras veces, nuestro Sol pertenece a una clase común de estrella localizada aproximadamente en el centro de la secuencia principal* del esquema de clasificación conocido como de Herzsprung-Russell, denominada enana G2, que posee un característico color amarillo y una magnitud estelar poco importante (+4’83). Así que, después de 4.500 millones de años, el Sol está a la mitad de su vida y va camino de transformarse de enana en gigante roja. Cuando esto ocurra, su luminosidad será mil veces mayor que la actual, y su diámetro, enormemente expandido, alcanzará (probablemente) la Tierra. Durante algún tiempo el planeta girará dentro de una órbita en el interior de la ligera cubierta de la estrella, pero final e inevitablemente caerá describiendo una espiral hasta ser engullida por el núcleo de la gigante roja.

Mucho antes de que el Sol se transforme en una gigante roja la vida en la Tierra desaparecerá. Según se contraiga el núcleo solar, las reacciones termonucleares calentarán su capa externa; el diámetro de la estrella se expandirá unas diez mil veces y la radiación de la subgigante roja evaporará los océanos y mares de la Tierra generando fortísimos vientos calientes en la convulsa atmósfera del planeta.

Sin embargo, mientras haya hidrógeno en el núcleo de la estrella, los inexorables cambios de su luminosidad serán graduales y el Sol continuará suministrando la energía necesaria, tanto para la vida en la Tierra como para la mayoría de las transformaciones físicas que ocurren en ella.

Las primeras explicaciones científicas de la radiación solar, cálculo basado en la gravitación de Hermann Helmholtz, conducen a una estimación de la vida de la estrella de unos treinta millones de años. La famosa ecuación de Einstein relacionando la materia y la energía abrió el camino hacia un modelo más preciso que, por sí sólo, tampoco nos ofrece una solución completamente satisfactoria. Por otra parte, no parece probable que la transformación total de materia solar, convirtiendo los núcleos atómicos y los electrones en radiación (según teorizaba Sir Arthur Eddington), pueda producirse ni siquiera a temperaturas superiores a los diez mil millones de grados Kelvin (K). La idea hoy aceptada de que la producción de la energía en el núcleo del Sol obedece a reacciones nucleares fue propuesta a finales de los años treinta por Hans Bethe, Charles Critchfield y Carl Friedrich von Weizsäcker.

La fusión de hidrógeno en helio, en el ciclo protón–protón, se inicia cuando la temperatura alcanza los trece millones de grados Kelvin. Justo por encima de los 16 millones Kelvin empieza a dominar el ciclo carbono-nitrógeno que genera C¹². No podemos estar seguros, pero de acuerdo con los mejores modelos, el ciclo C-N genera solamente un 1’5% de la energía total del Sol.

Las reacciones en el núcleo solar consumen entre 4’3 y 4’6 millones de toneladas de materia cada segundo, de manera que de 4.654.000 t de hidrógeno, 4.650.000 se transforman en helio, y las 4.000 toneladas que faltan son lanzadas al espacio en forma de radiación termonuclear (luz y calor) de la que una pequeña parte nos llega a la Tierra para hacer posible la vida.

De acuerdo a la relación masa-energía de Einstein, liberan 3’89×10²⁶ J de energía nuclear. Este inmenso flujo de energía es rápidamente transformado en energía térmica, que es transportado, isotrópicamente, hacia el exterior, primero por irradiación aleatoria y luego más rápidamente por convección direccional.

Suponiendo (como antes apuntaba) que la radiación es isótropa, la potencia de la luz visible que atraviesa cada metro cuadrado de la capa emisora de la fotosfera es aproximadamente de 64 MW. Como en el espacio no hay prácticamente atenuación de la radiación solar, cuando ésta alcanza la órbita de la Tierra tiene una densidad de potencia igual al cociente entre la luminosidad total del Sol (3’89×1026 W) y el área de una esfera de radio orbital (que, como promedio, es de unos 150 millones de kilómetros).

Este flujo, tradicionalmente conocido como la constante solar, es la tasa máxima de energía que llega a la parte superior de la atmósfera terrestre. A principios de los años setenta, la NASA utilizó para el diseño de las naves espaciales un valor de la constante solar igual a 1.353 W/m². El flujo ha sido medido directamente en el espacio desde 1.979, cuando el satélite Nimbus 7 obtuvo un valor de 1.371 W/m². En el más reciente satélite de la Solar Maximum Mission lanzado en 1.980 se obtuvo una media ponderada de 1.368’3 W/m².

Las observaciones continuadas desde el espacio han revelado la existencia de una compleja regularidad de pequeñas fluctuaciones de corta duración que, debido a la interferencia de la atmósfera, no habían podido ser observadas anteriormente. Estas fluctuaciones de poca duración (del orden de días a semanas) y de hasta un 0’2 por ciento son debidas al paso de manchas oscuras y fáculas brillantes que arrastra el Sol en su rotación; el ciclo medido es de 11 años, en el que la radiación solar disminuye en un 0’1 por ciento entre el valor máxima y el mínimo.

La longitud de onda de la energía electromagnética emitida por el Sol y que llega a la Tierra varía en más de diez órdenes de magnitud. Va desde la longitud de onda más corta, que corresponde a los rayos gamma y rayos X de menos de 10^-10 m, hasta la longitud de ondas de radio que superan el metro.

El aspecto del espectro de la radiación solar es similar al de un cuerpo negro a 6.000º K. Ambos espectros son especialmente parecidos en el rango de la longitud de onda mayor que la del amarillo, pero para longitudes de onda menores, el espectro solar cae notablemente por debajo de la línea de los 6.000º K. De acuerdo con la ley de desplazamiento de Wien, la emisión máxima a esta temperatura es de 483 nm, cerca del final de la zona azul del espectro visible y próximo al verde.

El flujo de energía se reparte desigualmente entre las tres grandes categorías espectrales: radiación ultravioleta (UV), cuya longitud de onda va desde las más cortas hasta los 400 nm y contribuye con menos del 9 por ciento de la radiación total; la luz visible, que va desde los 400 nm del violeta más lejano hasta los 700 nm del rojo más oscuro y representa un 39 por ciento; y la radiación infrarroja (IR), que representa cerca del 52 por ciento.

Es la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusión, ni reflexión alguna. Esta radiación llega a la superficie de la Tierra, sin cambios de dirección.

La radiación que llega a la superficie de la Tierra es muy diferente de la radiación extraterrestre, tanto cualitativa como cuantitativamente. Las razones físicas de esta diferencia son varias: que la órbita de la Tierra es elíptica, la propia forma del planeta, la inclinación del eje de rotación, la composición de la atmósfera y la reflectividad (albedo) de las nubes y superficies terrestres. Consecuentemente, la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra presenta una compleja pauta espacial y temporal. La media anual global es ligeramente inferior a 170 W/m² en los océanos y de unos 180 W/m² en los continentes. La diferencia más importante del valor esperado, según la latitud de la zona, se encuentra en la disminución que se presenta en los trópicos y durante los monzones subtropicales, debido a la alta nubosidad. Grandes regiones de Brasil, Nigeria y el sur de China reciben menos insolación que Nueva Inglaterra o las regiones de Europa occidental. Es aún más sorprendente que no haya diferencia entre el flujo máximo que se recibe al mediodía durante el verano en Yakarta, situada en el ecuador, y el que se recibe en ciudades subárticas como Edmonton en Canadá o Yakutsk en Liberia. Quizás el mejor ejemplo sea el de Oahu, donde la casi siempre nublada cordillera Koolau, que intercepta las nubes y las lluvias arrastran los alisios, tiene una media anual de radiación de 150 W/m², mientras que en Pearl Harbor, a 15 Km de distancia en la dirección del viento, la media es de 250 W/m².

La radiación solar media de 170 W/m² representa anualmente una energía de 2’7×10²⁴ J, que equivale a 87 PW. Esta cantidad es casi 8.000 veces mayor que el consumo mundial de combustibles sólidos y electricidad durante los primeros años noventa. Sólo una pequeña fracción de este inmenso flujo es absorbida por los pigmentos de las plantas para realizar la fotosíntesis, y una parte algo mayor, pero también pequeña, se utiliza para calentar las plantas, los cuerpos de los animales y las personas, así como sus refugios.

La energía siempre sustentó la vida en nuestro planeta desde hace muchos millones de años

La radiación también sustenta la vida porque al calentar los océanos, las rocas y los suelos, impulsa funciones fundamentales en la biosfera, tales como el ciclo del agua, la formación de los vientos, el mantenimiento de la temperatura adecuada para que funcionen los procesos metabólicos y la descomposición orgánica. Además, es la causante de la erosión que transporta los nutrientes minerales para la producción primaria de materia orgánica.

A la larga, para mantener el equilibrio térmico del planeta, la radiación solar absorbida debe emitirse al espacio, pero la longitud de onda está drásticamente desplazada hacia el infrarrojo. A diferencia de la radiación de longitud de onda corta emitida por el Sol, que está determinada por la temperatura de la fotosfera (5.800º K), la radiación terrestre corresponde muy aproximadamente a las emisiones electromagnéticas de un cuerpo negro a 300º K (27ª C). El máximo de emisión de esa esfera caliente está en la zona del IR a 966 μm. Como el 99% de la radiación solar llega en longitudes de onda menores de 4 μm y el espectro terrestre apenas alcanza los 3 μm, el solapamiento de frecuencias entre estos dos grandes flujos de energías es mínimo.

                       Reacción protón–protón para formar helio 4 liberando energía

Es verdaderamente maravilloso que hallamos podido llegar a comprender los procesos complejos que, mediante hilos invisibles de energía, hacen posible que la vida en la Tierra esté presente, que los procesos esenciales del planeta sean posibles gracias al Sol y que, escenarios maravillosos como una puesta de Sol o una Aurora Boreal, sean todos la consecuencia de que, la energía, está presente en el Universo, en nuestro mundo, en nuestras vidas.

Emilio Silvera Vázquez

 « Nanopartículas

El universo entero es energía. En sus formas diferentes la energía cambia continuamente y lo mismo hace que brillen las estrellas del cielo, que los planetas giren, que los estables átomos formen moléculas y materia, que las plantas crezcan o que las civilizaciones evolucionen.

La ciencia del siglo XIX reconoció la universalidad de la energía y supo ver que la Humanidad sin energía que hiciera el trabajo más duro, no evolucionarían en el bienestar social y el saber.

De todas maneras, aún hoy día, a comienzos del siglo XXI, no tenemos un conocimiento unificado de todos los ámbitos y disciplinas, que relacionados de una u otra manera con la energía, nos presente una visión global y completa de este problema. Los estudios energéticos modernos se presentan fragmentados, divididos en disciplinas, y los científicos que trabajan en cada una de ellas están muy ocupados para leer el resultado obtenido en los otros estudios.

Los geólogos, por ejemplo, al tratar de entender las grandes fuerzas que transforman la superficie del planeta por el movimiento de las placas tectónicas, rara vez están al día de los descubrimientos en las otras ramas de la energética moderna, donde se estudia desde el esfuerzo de un corredor de élite hasta el vuelo de un colibrí.

Los ingenieros se preocupan por las plantas generadoras de electricidad y piensan poco en las constantes fundamentales de la energía o en los cambios que determinaron la evolución de las sociedades antes de la llegada de la civilización de los combustibles fósiles.

Energía es todo, desde el Sol hasta un embarazo; desde el pan que comemos hasta un microchip. Sin embargo, es difícil que un técnico pueda pensar en ello cuando está centrado en resolver el problema del momento.

La progresión lógica se realiza siguiendo una secuencia progresiva desde los flujos de energía planetarios a la vida de las plantas y los animales, siguiendo con la energía humana, la energía en el desarrollo de las sociedades preindustriales y modernas, y concluyendo con el transporte y los flujos de información, que son las dos características más importantes de la civilización de los combustibles fósiles.

Los que han leído algunos de mis trabajos saben que aquí podrán encontrarse con datos y materias diversas, y aunque el tema central, como he reseñado por título, es la evolución por la energía, también podrán leer sobre la entropía, las fuerzas de la naturaleza, el átomo, o incluso, del Sol, los vientos, radiación solar o cualquier dato que, en realidad, pueda estar conectado con el concepto de energía.

Operamos con unidades

El conocimiento, las peculiaridades y las complejidades de las diferentes formas de energías, así como su almacenamiento y transformación, requiere que cuantifiquemos esas cualidades y procesos. Para ello debemos introducir cierto número de conceptos científicos y medidas, así como sus unidades correspondientes.

Al hablar sobre energía nos encontramos con el problema de que el uso en el habla común de muchos términos científicos está equivocado. Como dice Henk Tennekes, “hemos creado una terrible confusión con los conceptos físicos simples en la vida ordinaria”. Pocos de esos malentendidos son tan generales y molestos como los relacionados con los términos energía, potencia y fuerza.

Definimos fuerza como la intensidad con la que intentamos desplazar – empujar, tirar, levantar, golpear… – un objeto. Podemos ejercer una fuerza enorme sobre la roca que sobresale en una montaña incluso si ésta permanece inmóvil. Sin embargo, sólo realizamos trabajo cuando el objeto que empujamos se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. De hecho, se define el trabajo realizado como el producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida. La energía, como se define en los libros de texto, es “la capacidad de hacer trabajo”, y así, ésta se medirá con las mismas unidades que el trabajo.

Si medimos la fuerza en unidades denominadas newton (N), llamada así en honor de Isaac Newton, y la distancia en metros (m), el trabajo se mide en la malsonante unidad de newton-metro. Para simplificar, los científicos llaman al newton-metro julio (J), en honor de James Prescot Joule (1818 – 1889), quien publicó el primer cálculo preciso de la equivalencia entre trabajo y energía. El julio es la unidad estándar de trabajo y energía.

La potencia es simplemente la tasa de trabajo, es decir, un flujo de energía por unidad de tiempo. A un julio por segundo lo llamamos vatio (W) en honor de James Watt (1736 – 1819), inventor de la máquina de vapor mejorada y el hombre que estableció la primera unidad de potencia, que no fue el vatio sino el caballo de vapor (CV), una unidad aproximadamente igual a 750 W.

Seguimos con algunas tablas para documentarnos:

Para avanzar un poco más tenemos que pasar de empujar y tirar (lo que llamamos energía mecánica o energía cinética) a calentar (energía térmica). Definimos una unidad llamada caloría como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 14’5 a 15’5 ºC. Usando esta unidad podemos comparar energías térmicas, pero una vez más, esta unidad no nos permite comparar todas las clases diferentes de energías.

Si nos preguntamos ¿qué es la energía?, esta pregunta no es fácil de contestar. Incluso uno de los más grandes físicos modernos resulta de poca ayuda: “es importante darse cuenta de que en física, en realidad, no se sabe muy bien qué es la energía. No tenemos una idea de por qué la energía está formada por pequeños pulsos de una cantidad definida”, decía Richard Feynman en su libro Lectures on Physics.

David Rose, para definir la energía, decía: “es un concepto abstracto inventado por los físicos en el siglo XIX para describir cuantitativamente una amplia variedad de fenómenos naturales”.

E: representa la energía

m: la masa

c: la velocidad de la luz en el vacío ¡casi 300 000 km/s!

Einstein nos dijo: “la masa y la energía son manifestaciones de una misma cosa”.

El conocimiento moderno de la energía incluye un número de descubrimientos fundamentales: la masa y la energía son equivalentes; los diferentes tipos de energía están relacionados por muchas transformaciones; durante esas transformaciones, la energía no se destruye (primer principio de la termodinámica) y esta conservación de la energía está inexorablemente acompañada por una pérdida de utilidad (segundo principio de la termodinámica).

El primer descubrimiento, descrito en una carta de Einstein a un amigo suyo como una “idea atrevida, divertida y atractiva”, se resume en su ecuación m = E/c², que en su versión más famosa se escribe como E = mc²; la ecuación más conocida de la física.

El segundo descubrimiento se demuestra continuamente en miles de trasformaciones energéticas que se producen en el universo. La energía gravitatoria mantiene las galaxias en movimiento, a la Tierra girando alrededor del Sol y confinada la atmósfera que hace nuestro planeta habitable. La transformación de la energía nuclear en el interior del Sol produce el continuo flujo de energía electromagnética, llamada radiación solar. Una pequeña parte de esa energía llega al planeta Tierra que, a su vez, libera energía geotérmica. El calor producido en ambos procesos pone en movimiento la atmósfera, los océanos y las gigantescas placas tectónicas terrestres.

Una pequeña parte de la energía radiante del Sol se transforma, a través de la fotosíntesis, en reservas de energía química, que son utilizadas por muchas clases de bacterias y plantas. Los seres heterótrofos (organismos que van desde las bacterias, los protozoos y los hongos hasta los mamíferos), ingieren y reorganizan vegetales de las plantas en nuevos enlaces químicos y los utilizan para crear energía mecánica (cinética).

La energía química almacenada durante millones de años en los combustibles fósiles se libera por combustión en calderas y máquinas como energía termal (térmica), la cual, a través de muchos procesos se convierte en energía mecánica, química o electromagnética.

La colisión entre las placas terrestres lleva a que las rocas conformantes de la corteza puedan romperse (fallarse) o bien plegarse. Este último proceso ocurre en aquellos estratos rocosos que se ven sometidos a altas presiones y temperaturas, que permiten que las rocas se tornen dúctiles. Las cadenas montañosas o cordilleras se generan por la colisión de las placas tectónicas y, por lo general, se localizan cerca de sus márgenes.

El segundo principio de la termodinámica se refiere a la inevitable realidad de que a lo largo de la cadena de transformación de la energía se va perdiendo la capacidad de realizar un trabajo útil. Hay una magnitud asociada con esta pérdida de utilidad de la energía que se llama entropía; en cada transformación la energía se conserva, pero la entropía del sistema en su conjunto sólo puede aumentar. No hay nada que podamos hacer contra esta disminución de utilidad. Un barril de petróleo es un almacén de energía muy útil y de baja entropía que se puede transformar en calor, electricidad, movimiento y luz. Las moléculas calientes de aire emitidas por el tubo de escape de un motor o la luz que rodea una bombilla representan un estado de alta entropía en el que se producen irrecuperables pérdidas de utilidad.

En un sistema cerrado, este proceso unidireccional de disipación entrópica tiene la inevitable consecuencia de una pérdida de la complejidad y un aumento de la homogeneidad. Esto se puede ver si usted compara la multitud de moléculas orgánicas que componen el petróleo con la monotonía de unos pocos tipos de moléculas sencillas que forman los gases del tubo de escape.

Por el contrario, todos los organismos vivos (desde las bacterias hasta las civilizaciones humanas) son sistemas abiertos, que están importando y exportando energía constantemente; son capaces de mantenerse en estado de desequilibrio químico y termodinámico, creciendo y evolucionando hasta una mayor heterogeneidad y complejidad. Desafían temporalmente la tendencia entrópica.

No conviene utilizar unidades inadecuadas para medir esta gran variedad de procesos, porque casi siempre las cifras estarían seguidas o precedidas de muchos ceros. Tanto el julio como el vatio representan respectivamente cantidades muy pequeñas de energía y potencia. Aproximadamente 30 microgramos de carbón o 2 segundos de metabolismo de un ratón de campo equivalen a 1 julio. Un vatio es la potencia de una pequeña vela encendida o el vuelo rápido de un colibrí.

Emilio Silvera

 « ¡Marte a la vista!

Las corrientes de convección son movimientos que describen los fluidos. Cuando éstos se calientan, se dilatan y ascienden. Al llegar esos materiales a la corteza terrestre se enfrían debido a que esta capa tiene una baja temperatura. Al enfriarse los materiales, se contraen y descienden hasta alcanzar el núcleo de la Tierra, donde el proceso volverá a comenzar.

Toda esta energía térmica actúa sobre los materiales provocando el movimiento de estos, generando elevadas presiones que llevan a transformaciones en la estructura de los materiales. En ocasiones, estas presiones se liberan bruscamente. Todos hemos podido contemplar las consecuencias devastadoras de tales acontecimientos.

Parece una locura, pero… ¿qué es la Tierra? La astronomía nos dice que es un planeta de tamaño medio que orbita una estrella no demasiado especial. Desde nuestro punto de vista es el ejemplo más exacto -obviamente- de lo que se ha bautizado como “planetas del tipo terrestre”. Los indígenas de muchas regiones -y ahora los ecologistas- lo llaman “la madre tierra”. En la literatura se lo ha llamado “el planeta azul”, “el planeta de agua”, “el zafiro celeste”, “el orbe cerúleo” y otros nombres poéticos. Los biólogos saben que -por ahora- es el único lugar conocido que alberga la vida.

Una definición más estructural nos dirá que se compone de cierta cantidad de minerales, que tiene una corteza, un manto, un núcleo de hierro, y que lo rodea una atmósfera y su superficie está cubierta en un 75% por agua. Pero la definición más impactante es una que hasta ahora no sospechábamos: la Tierra, afirma el geofísico J. Marvin Herndon, es una gigantesca planta natural de generación nuclear. Nosotros vivimos en su delgada coraza, mientras a algo más de 6.000 kilómetros bajo nuestros pies se quema por la fisión nuclear una bola de uranio de unos ocho kilómetros de diámetro, produciendo un intenso calor que hace hervir el metal del núcleo, lo que produce el campo magnético terrestre y alimenta los volcanes y los movimientos de las placas continentales.

Sabemos que el mundo orgánico y el inorgánico están conectados: los factores vivos e inanimados interactúan constantemente y están en continuo cambio, son interdependientes. El Universo está en movimiento, expandiéndose, y los distintos elementos que lo componen, forman una cohesión dinámica en permanente evolución. Aún estamos lejos de conocer sus secretos… sin embargo, contamos con una ventaja para poder desvelar los múltiples secretos que rodean nuestro “mundo”, la materia “inerte” es el ciclo más primario de la materia antes de que, por evolución, se convierta en eso que llamamos vida. Cuando en algunas formas de vida está presente la Inteligencia y una consciencia de SER, se comienza un nuevo ciclo, el de tratar de saber sobre todas las cosas que nos rodean y, el Planeta Tierra, nuestra casa, no podía ser una excepción.

              La Tierra vista desde el Espacio, es una auténtica maravilla. ¡Si pudiéramos contemplar así nuestra Galaxia!

 

                                                 

La Tierra es el mayor de los planetas interiores y se creó como todos los planetas restantes del Sistema Solar, hace aproximadamente 4.6 miles de millones de años. La Tierra primigenia se formó por la colisión y fusión de fragmentos de rocas más pequeños, de los denominados planetesimales

En un lugar parecido a este, hace miles de millones de años, nació la Tierra ígnea y sus hermanos, el resto de los planetas del Sistema Solar. Se enfrió con el paso del Tiempo, y, a partir de la materia inerte, surgieron aquellas simples células replicantes que evolucionaron hacia la mente. Esa ha sido la obra más grandiosa del Universo., hasta donde podemos saber, toda vez que, confinados aquí en éste pequeño y maravilloso planeta, los seres conscientes no han podido evolucionar hasta el punto de comprobar si, en otros mundos, existe realmente la vida.

                                   

Pero se hablaba de lo que produce el campo magnético terrestre y alimenta los volcanes y los movimientos de las placas continentales. Veamos de dónde surge esta imagen. Hay que imaginar a la Tierra primordial como un horno esférico, una bola recién formada y ardiente de elementos en estado líquido que se condensaron del disco que rodeaba nuestro sol. Los metales más densos se hundieron por la atracción de la gravedad, mientras que los elementos más livianos flotaron y quedaron más cerca del exterior de la esfera y en la superficie. Dentro de nuestro planeta, la densidad depende exclusivamente del número y el peso atómico de los átomos. El uranio es muy denso, 19 gramos por centímetro cúbico, porque tiene el mayor número y peso atómicos en la naturaleza, de modo que, siendo la sustancia más densa en una esfera de materiales fundidos, debió terminar a la fuerza en el centro de ella. En el centro de la Tierra. Las implicaciones de esta hipótesis relativamente nueva del geo-reactor son muy amplias. No sólo influye en la manera en que vemos a la Tierra y a la formación de planetas en general, sino que hasta habría que revisar el origen mismo de las estrellas.

El impulsor de la idea. Hace poco se estrenó la película The Core (“El núcleo”), relacionada con este tema. El doctor J. Marvin Herndon, de 58 años de edad, alto y robusto, estuvo allí y fue tratado como una estrella. Él vive en un suburbio de San Diego llamado Scripps Ranch, en los Estados Unidos de Norteamérica, en una casa repleta de antigüedades. Está casado con una científica de computación y tiene tres hijos ya crecidos. Tiene un doctorado en química nuclear de la Universidad de Texas. De 1975 a 1978 hizo un postdoctorado en la Universidad de California en San Diego con Harold Urey, ganador del Premio Nobel de química en 1934, y con Hans Suess, desarrollador del método de datación por carbono 14. Estuvo un año como investigador en esa Universidad, pero renunció. Desde entonces, se dedicó a investigar independientemente. Veamos lo que dijo en una entrevista.

                                             J. Marvin Herndon. Licenciado en Física en 1970

– Dr. Herndon, he leído que usted cree que Marte posee un geo-reactor muerto, basándose en la evidencia de que no posee campo electromagnético. ¿Podría contar sus especulaciones con respecto a otros planetas del Sistema Solar, incluyendo los gigantes gaseosos?

– Originalmente llegué a la idea de reactores de fisión de escala planetaria considerando los gigantes gaseosos. Cuando iba a la escuela, me dijeron que los planetas no producen energía; sólo reciben energía del sol y la vuelven a irradiar. Pero a fines de los sesenta los astrónomos descubrieron que Júpiter irradia hacia el espacio más o menos el doble de la energía que recibe desde el sol. Luego se encontró que Saturno y Neptuno irradian cantidades prodigiosas de energía generada internamente. Durante veinte años los planetólogos creyeron que habían tenido en consideración y eliminado todas las fuentes planetarias posibles de energía, decidiendo que la energía extra que irradiaban venía del colapso gravitatorio original producido hace unos 4.500 millones de años. Cuando empecé a pensar en este problema alrededor de 1990, esa explicación no me parecía razonable.

Júpiter está compuesto en un 98% de hidrógeno y helio y ambos gases son medios de transmisión de calor extremadamente eficientes. Luego pensé que todos esos gigantes gaseosos tienen los ingredientes necesarios para formar un reactor nuclear de escala planetaria, una fuente de energía que no se había considerado antes. Júpiter, Saturno y Neptuno irradian cantidades prodigiosas de energía generada en su interior y poseen atmósferas muy turbulentas; Urano irradia muy poca o ninguna energía y su atmósfera aparece sin rasgos. (Especulación: ¿se habrá apagado el reactor nuclear de Urano?)

     Lo cierto es que, vivimos encima de un reactor nuclear natural

Luego de que se publicó el artículo científico sobre los gigantes gaseosos en Naturwissenschaften, pensé que no es necesario hidrógeno para frenar a los neutrones; esa chispa de comprensión me llevó a comenzar a desarrollar el concepto de que hay un reactor nuclear de fisión en el centro de la Tierra, que publiqué por primera vez en 1993. No tenemos evidencia directa -aún- de que Marte tenga o no un reactor nuclear. Sin embargo, Marte tiene el volcán más grande del Sistema Solar, el Monte Olympus. Tuvo alguna vez la fuente de energía que se requiere para formar un volcán. Ahora parece que el interior de Marte podría no estar congelado. Interesante.

La luna Io de Júpiter posee actividad volcánica. He leído recientemente que la interacción de marea con Júpiter no aporta suficiente energía. Uno puede especular con la posibilidad de que haya un reactor nuclear involucrado, pero en este momento sería sólo especulación. Hay un reporte reciente que sugiere que el interior de nuestra Luna no estaría del todo congelado. Hay evidencia paleomagnética que sostiene la idea de que la Luna tuvo su propio campo magnético durante sus primeros 500 millones de años de vida. Necesitamos evidencia sólida.

Aquí en la imagen observamos a La Fosa de las Sirenas se extiende a lo largo de 25 000 km al sudoeste de la región volcánica de Tharsis, en la que se encuentra el Monte Olimpo, el volcán más alto de nuestro Sistema Solar. La Fosa de las Sirenas es un sistema de fosas tectónicas formadas por las fuerzas internas de la corteza marciana durante la elevación de la región de Tharsis. Se puede apreciar una fosa tectónica en la imagen, como dos líneas paralelas que cruzan de arriba abajo, ligeramente a la izquierda del centro de la imagen.

– Este aspecto interesará a los lectores. ¿Podría estallar el geo-reactor y destruir el planeta que lo contiene?

– No. Para lograr una explosión hace falta uranio o plutonio muy puros, de “grado armamentístico”. Las impurezas que tiene el uranio natural, incluyendo el U-238, lo impiden. Hay alguna tontería en la web que se refiere a que el calentamiento global podría causar la explosión del geo-reactor. Es un sinsentido. Seudociencia.

– Fuera de la posibilidad de que el geo-reactor se apague, ¿hay algún otro peligro para la vida?

– Los únicos elementos que se pueden fugar del núcleo son muy livianos. Los elementos livianos que produce la fisión son poco abundantes y, si es que son radiactivos, típicamente tienen una vida media corta.  A diferencia de otras fuentes potenciales de energía de escala planetaria, que sólo pueden variar muy gradualmente a lo largo del tiempo y en una sola dirección, un reactor nuclear es capaz de tener una producción variable de energía, como hice notar en mi artículo de 1994 en la Royal Society of London.

Los científicos deberían empezar a preguntarse cómo se podría detectar esa fuente variable de energía de la Tierra y cómo pueden afectar estas variaciones la superficie de nuestro planeta. La corriente de El Niño, por ejemplo, ¿puede ser afectada por esta variabilidad? ¿Las eras glaciares? No estoy sugiriendo que lo sean, pero se debe mantener la mente abierta. Por ejemplo, en los modelos del calentamiento global se asume que el flujo de calor que surge del interior es constante. ¿Lo es? Son interrogantes que los científicos deben hacerse.

¿Qué podría causar esa variación de la energía, si existiese?

– En un reactor de fisión nuclear, se divide el núcleo de uranio y otros elementos en una reacción en cadena, partiendo los átomos típicamente en dos partes.  Esos productos de la fisión absorben neutrones y, si se los deja allí, frenarán la cadena de reacción de los neutrones y, por fin, apagarán el reactor. Pero los productos de la fisión tienen más o menos la mitad de número atómico y la mitad de peso atómico que el combustible de uranio. A las presiones que prevalecen en las profundidades de los planetas, la densidad es función del número y el peso atómicos. Los productos de la fisión serán, entonces, menos densos que el uranio y tenderán, por gravedad, a migrar hacia fuera del reactor mientras que el uranio se concentra dentro. Uno puede imaginar que en un caso ideal se produce un equilibrio. Pero si la producción de subproductos de la fisión excede su ritmo de remoción, la potencia de salida del reactor se reducirá hasta que los subproductos tengan la posibilidad de migrar por gravedad fuera de la zona del reactor. Luego la potencia volverá a crecer.

– Estuve pensando que, si se prueba que es cierta, esta teoría de los geo-reactores planetarios se debe aplicar a todos los cuerpos planetarios del universo. Estoy seguro de que usted debe conocer la ecuación de Drake que intenta estimar el número de inteligencias que podrían existir en el universo, algo que se tiene en gran consideración en el SETI. ¿Se debería agregar un nuevo valor a esta fórmula que represente el tiempo esperado de vida del geo-reactor en un planeta tipo Tierra?

– Pienso que a la gente le gustaría mucho encontrar evidencias de vida en algún lugar del universo. Pero los hechos siguen mostrando que la Tierra es el único planeta en la que se la ha encontrado. Yo no creo que se pueda asignar una posibilidad a un suceso que se ha observado sólo una vez. No estoy de ninguna manera contra los esfuerzos de encontrar evidencias de vida, pero pienso que la gente debe ser objetiva en este tema.

– ¿Ha imaginado ejemplos extraños de fisión natural? Por ejemplo, los físicos han teorizado todo tipo de cosas peculiares, como agujeros negros en miniatura e incluso con forma de rosquilla [toroide]. ¿Podría existir algún tipo diferente de reactor natural de fisión en algún lugar del universo?

No hace mucho tiempo que contamos aquí que hace unos 2.000 millones de años, en la Tierra, se produjo un fenómeno de reacciones nucleares espontáneas que fueron descubiertas posteriormente, en nuestros días. La relación uranio-238/uranio-235 es constante en la corteza terrestre, salvo ciertas excepciones, como ocurre en los yacimientos de Oklo donde hay evidencias de que hace unos 2000 millones de años se produjeron reactores nucleares naturales.

– Yo trato de hacer ciencia paso a paso, una idea siguiendo a la otra. No tengo razón para esperar que existan tipos inusuales de reactores en el universo. Por otra parte, pienso que aún sabemos muy poco sobre los reactores nucleares ordinarios a escala planetaria. ¿Y quién sabe qué podremos aprender finalmente.

– “Descubrí, para mi sorpresa, que no sólo pude estar hombro a hombro con las estrellas, sino que me trataron como una estrella, entrevistándome a lo largo de la alfombra roja en el estreno mundial de la película The Core. Es un gran éxito para la Ciencia”.

Lo cierto es que, la Naturaleza,  nunca dejará de sorprendernos.

emilio silvera

 « Energías de la Tierra

La más destructiva intensificación temporal de los normalmente suaves flujos de energía geotectónica – erupciones volcánicas o terremotos extraordinariamente potentes – o de energía atmosférica – vientos o lluvias anormalmente intensas –, parecen irrelevantes se comparan con las repetidas colisiones del planeta con cuerpos extraterrestres relativamente grandes.

 

 

 

Hace unos seis mil años, en una región argentina denominada Campo del Cielo, se suscitó una lluvia de meteoritos, producto de la explosión en la atmósfera de un asteroide que pesaba unos 840 mil kilos. En la actualidad, se conserva uno de esos fragmentos, al cual se le denominó como “El Chaco”. Es el segundo más pesado del cual se tiene , pues en la báscula registra 37 toneladas.

 

 

 

 

En los primeros años del siglo XIX, varios exploradores se asentaron en Cape York, Groenlandia, en donde descubrieron que los habitantes de las tribus del lugar utilizaban armas punzocortantes hechas, supuestamente, con materiales de origen meteórico. Años más tarde, Robert E. Peary fue quien encontró los resquicios de un gran asteroide que golpeó la Tierra en la llamada “Edad de Hierro”. A esta gran piedra se le llamó Ahnighito, la cual fue venida al Museo Americano de Historia Natural, en donde actualmente se le observar.

 

 

 

 

Este meteorito cayó miles de años en Bacubirito, Sinaloa. Se dice que en 1863, varios pobladores de dicha localidad hallaron esta gran piedra, aunque no se dio a conocer al mundo sino hasta finales del siglo XIX, gracias a la labor periodística de Gilbert Ellis. Bacubirito pesa cerca de 20 toneladas; mide más de cuatro metros de largo y dos metros de ancho, características por las cuales lo convierten en el quinto meteorito más grande que ha caído en el planeta. Hoy en día se encuentra en la explanada del Centro de Ciencias de Culiacán.

 

 

No sabemos un asteroide “asesino”, caerá sobre la Tierra. Los Encuentros espaciales, han sido relativamente frecuentes en la historia del planeta y, luego, no podemos asegurar que no se volverá a repetir, sino que, por el contrario, lo único que no sabemos es cuando pasará.

Existen simulaciones de lo que ser el choque del meteorito en la Tierra y, desde luego, no quisiera estar aquí cuando suceda. La Tierra está siendo bombardeada continuamente por invisibles partículas microscópicas de polvo muy abundantes en todo el Sistema Solar, y cada treinta segundos se produce un choque con partículas de 1 mm de diámetro, que dejan un rastro luminoso al autodestruirse en la atmósfera. También son relativamente frecuentes los choques con meteoritos de 1 metro de diámetro, que se producen con una frecuencia de, al , uno al año.

 

 

 

 

 

Pero los impactos, incluso con meteoritos mayores, producen solamente efectos locales. Esto es debido a que los meteoritos que deambulan por la región de asteroides localizada Marte y Júpiter están girando alrededor del Sol en el mismo sentido que la Tierra, de manera que la velocidad de impacto es inferior a 15 Km/s.

Marte y Júpiter hay cientos de miles de cuerpos pequeños que orbitan alrededor del Sol llamados asteroides. podemoas encontrarlos más allá de Plutón, llamado cinturón de Kuiper, y que en este caso reciben el de objetos transneptunianos y que están hecho de hielo. Ceres es el asteroide más grande y 913 km de diámetro.

 

 

 

 

 

 

El cráter de Arizona, casi perfectamente simétrico, se formó hace 25.000 por el impacto de un meteorito que iba a una velocidad de 11 Km/s, lo que representa una potencia cercana a 700 PW. Estas gigantescas liberaciones de energías palidecen cuando se comparan con un choque frontal con un cometa típico. Su masa (al menos de 500 millones de toneladas) y su velocidad relativa (hasta 70 Km/s) elevan su energía cinética hasta 10²² J. Aunque se perdiera un diez por ciento de esta energía en la atmósfera, el impacto sería equivalente a una explosión de unas 2.500 bombas de hidrógeno de 100 megatones. Está que un fenómeno de estas características produciría impresionantes alteraciones climatológicas. Sin embargo, no es seguro y sí discutible que un impacto parecido fuese la causa de la extinción masiva del cretácico, siendo lo más probable, si tenemos en cuenta el periodo relativamente largo en que se produjo, que se podría explicar por la intensa actividad volcánica de aquel tiempo.

 

 

 

 

La frecuencia de impactos sobre la Tierra disminuye exponencialmente con el tamaño del objeto. Muchas toneladas son las que recibimos cada año de pequeños fragmentos de todo pero, cuando estos van aumentando de tamaño, los sucesos de espacian de manera sustancial

Aproximadamente, cada cincuenta o sesenta millones de años se produce una colisión con un cometa, lo que significaría que la biosfera, que ha evolucionado durante cuatro mil millones de años, ha debido superar unos cuarenta impactos de este tipo. Está claro que ha salido airosa de estas colisiones, ya que aunque haya sido modificada, no ha sido aniquilada.

 

 

 

 

Esperemos que imagen no la podamos ver nunca en directo

 

Igualmente, la evolución de la biosfera ha sobrevivido a las explosiones altamente energéticas de las supernovas más “cercanas”. Dado que en nuestra galaxia se produce por término medio la explosión de una supernova cada 50 , el Sistema Solar se encuentra a una distancia de 100 parsecs de la explosión cada dos millones de años y a una distancia menor de 10 parsecs cada dos mil millones de años. En este último caso, la parte alta de la atmósfera se vería inundada por un flujo de rayos X y UV de muy corta longitud de onda, diez mil veces mayor que el flujo habitual de radiación solar, lo que implica que la Tierra recibiría, en unas pocas , una dosis de radiación ionizante igual a la que recibe anualmente. Exposiciones de 500 roentgens son setales para la mayoría de los vertebrados y, sin embargo, los diez episodios de esta magnitud que se han podido producir en los últimos 500 millones de años no han dejado ninguna consecuencia observable en la evolución de la biosfera.

 

 

 

          La imagen de arriba corresponde a un suceso que ninguno quisiéramos que ocurriera

Si suponemos que una civilización avanzada podría preparar refugios la población durante el año que transcurre ente la llegada de la luz y la llegada de la radiación cósmica, se encontraría con la inevitable dosis de 500 roentgens cada mil millones de años, tiempo suficiente para permitir el desarrollo de una sociedad cuyo conocimiento le sirviera para defenderse de un flujo tan extraordinario y de consecuencias letales.

nos queda tiempo, hablemos de… ¡La fotosíntesis! Y, sus consecuencias.

 

Todo el Oxígeno de la Atmósfera terrestre procede del oxígeno que desprenden los organismos autótrofos la fotosíntesis.

 

La fotosíntesis es el principal proceso bioquímico que consigue pasar materiales desde el biotopo hasta la biocenosis de un ecosistema. Una vez incorporados parte de los organismos autótrofos, los heterótrofos (por ejemplo, los animales) solo tienen que aprovecharse de aquellos; con la existencia de pequeñas cantidades de agua, todo está preparado para que el ecosistema entero comience a funcionar. Además, siempre habrá animales depredadores, carnívoros, que seguirán aprovechando los materiales de otros.

La conocida ecuación básica que describe la reacción endotérmica por la cual se sintetiza una molécula de glucosa a partir de sus seis moléculas de CO₂ y H₂O, y 2’8 MJ de radiación solar, es una simplificadísima caja negra. Una caja negra más realista sería la siguiente:

106 CO₂ + 90 H₂O + 16 NO₃ + PO₄ + nutrientes minerales + 5’4 MJ de radiación = 3’258 g de protoplasma (106 C, 180 H, 46 O, 16 N, 1 P y 815 g de cenizas minerales) + 154 O₂ + 5’35 MJ de calor disipado.

Sin macronutrientes ni micronutrientes no se producir fitomasa, que está compuesta por los nutrientes básicos necesarios para todos los seres heterótrofos: azúcares complejos, ácidos grasos y proteínas.

 

 

Para entender esta caja negra hay que comenzar por destacar la acción de unos pigmentos sensibles a la luz los cuales destacan las clorofilas. Éstas absorben la luz en dos bandas estrechas, una entre 420 y 450 nm, y la otra entre 630 y 690 nm. Así, la energía necesaria para la fotosíntesis sólo procede de la radiación azul y roja a la que corresponde menos de la mitad de la energía total de la insolación. Esta parte de la radiación fotosintéticamente activa (RFA) no se utiliza en reducir CO₂, sino en la regeneración de compuestos consumidos durante la fijación del gas.

La síntesis de fitomasa en el ciclo reductor del fosfato pentosa (RPP) – un proceso con varios pasos de carboxilación por catálisis enzimática, reducción y regeneración – tiene que empezar con la formación de trifosfato de adenosina (ATP) y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP), que son los dos compuestos que suministran energía a todas las reacciones biosintéticas. La síntesis de las tres moléculas de ATP y las dos de NADP que se necesitan para reducir molécula de CO₂ requiere de diez cuantos de radiación solar con longitud de onda próxima al pico rojo de absorción de la clorofila (680 nm). El carbono procedente del CO₂, combinado con el hidrógeno del agua y con los micronutrientes, dará lugar a nueva fitomasa que contiene 465 KJ/mol.

 

 

La cantidad de energía de un cuanto de luz roja es de 2’92×10^-19 J (el producto de la constante de Planck, 6’62×10^-34 por la frecuencia de la luz, que a su vez es el cociente la velocidad de la luz y la longitud de onda).

Un einstein (definido como un mol o de Avogadro, 6’02×10²³) de fotones rojos tiene una energía aproximadamente igual a 17 Kg. Suponiendo que la RFA es el 45% de la luz directa, la eficiencia global de la fotosíntesis es del 11%, que equivale a 456/(1.760/0’43). Esta eficiencia se reduce por lo en una décima parte más si tenemos en cuenta la reflexión de la luz en las hojas y la pérdida que supone atravesar la cubierta vegetal. Ninguna planta, sin embargo, se acerca siquiera a esta eficiencia teórica, porque parte de la luz absorbida por las clorofilas (generalmente, el 20 – 25 por ciento) vuelve a ser emitida en forma de calor, debido a que los pigmentos no pueden almacenar la luz y las reacciones enzimáticas no se producen con suficiente velocidad como para utilizar completamente el flujo de energía incidente. En la respiración se cede el carbono fijado en el metabolismo de la planta y en el mantenimiento de las estructuras que la soportan.

 

 

 

 

La luz y el calor que en una pequeña fracción recibinmos de la energía solar, posible todas estas maravillas en nuestro planeta. La vida incluida.

Para cada especie, la tasa con la que se pierde carbono está determinada principalmente por el tipo de fotosíntesis. Así, existen diferencias sustanciales las plantas C₃ y C₄. La respiración a escala de una comunidad o ecosistema depende del estado de crecimiento, y varía entre del 20 por ciento en plantas jóvenes en rápido crecimiento, hasta más del 90 por ciento en bosques maduros.

Con una pérdida del 25 por ciento para la reacción, y otro tanto para la respiración, la eficiencia fotosintética es ligeramente superior al 5 por ciento. En este punto, las estimaciones teóricas y los valores reales coinciden, ya que el valor medio de fotosíntesis neta en plantas muy productivas y en óptimas y durante cortos periodos de tiempo, oscila entre el 4 y el 5 por ciento. La mayoría de las plantas rinden en función de los nutrientes, especialmente nitrógeno y agua, o por las bajas temperaturas en las regiones de mayor altura y latitud. Los mejores rendimientos en sistemas naturales muy productivos, como los humedales y los cultivos, están entre el 2 y el 3 por ciento. En otros ecosistemas, como los pantanos tropicales templados y los bosques templados, el rendimiento de la transformación es del 1’5 por ciento, y en las praderas muy áridas sólo del 0’1 por ciento. Globalmente, la producción anual es, al menos, de 100.000 millones de toneladas de fitomasa, que se sintetizan con un rendimiento medio del 0’6 por ciento.

 

Producción primaria global en el año comprendido entre septiembre de 1997 y agosto de 1998. SeaWiFS Project, NASA/Centro de vuelo espacial Goddar de la NASA y ORBIMAGE.  En Biología se conoce como producción primaria a la producción de materia orgánica que realizan los organismos autótrofos a través de los procesos de fotosíntesis o quimiosíntesis. La producción primaria es el punto de partida de la circulación de energía y nutrientes a través de las cadenas tróficas.

 

La fotosíntesis en los océanos, muy afectada por la escasez de nutrientes, es incluso menos . La productividad medie es de poco más de 3 MJ/m² y se realiza con un rendimiento fotosintético del 0’06 por ciento. La media ponderada total es 0’2 por ciento, es decir, que sólo uno de cada 500 cuantos de energía solar que llega a la superficie de la Tierra se transforma en energía de biomasa en de tejido vegetal.

La mayor de esta energía se almacena en forma de azúcares simples, que contienen más energía, y que sólo se encuentran en las semillas.

La mayor parte de la fitomasa está en los bosques. En los océanos, los principales productores son los organismos que componen el fitoplancton, que son muy pequeños y flotan libres. Su tamaño varía algo menos de 2 y 200 μm de diámetro y están formados por cantidades variables de bacterias y protoctistas eucarióticos. Las cianobacterias cocoides son tan abundantes en algunas aguas oligotrópicas que pueden ser las responsables de la mayor parte de la producción de fitoplancton.

 

 

 

 

Los protoctistas fotosintetizadores varían entre los más pequeños flagelados pigmentados ( las criptomonas y crisofitos), hasta las diatomeas y dinoflagelados, que son mayores (más de 10 mm) y generalmente dominantes. Las diatomeas están formadas por células sin flagelos, con paredes de silicio amorfo mezclados con otros compuestos orgánicos. Presentan una sorprendente y amplia variedad de diseño, desde las que tienen simetría central (las de forma radial son las dominantes en el océano), a las pennadas (simetría lateral), y otras forman largas cadenas.

La productividad de fitoplancton está controlada por la temperatura del agua y por la disponibilidad de radiación solar y nutrientes. La temperatura no es determinante, porque muchas especies son muy adaptables y consiguen una productividad similar en distintos ambientes. Aunque es frecuente la adaptación a diferentes lumínicas, tanto el volumen como en contenido en clorofila de las diatomeas aumenta con la intensidad de la luz. En el mar abierto, la mayor limitación es la cantidad de nutrientes disponibles.

las carencias que más limitan la producción de fitoplancton está la de nitrógeno, el macronutriniente más importante, la de fósforo, y la de algunos otros micronutrientes clave como el hierro y el silicio.

 

 

 

 

Los medios productivos de la Tierra están en la capa superficial y la capa inmediatamente inferior de los océanos. En el mar abierto, las concentraciones más altas de nutrientes se encuentran entre los 500 y los 1.000 metros, a bastante más profundidad que la zona eufórica, capa en la que penetra la luz solar y que se extiende a unos 100 metros en las aguas transparentes.

El pequeñísimo tamaño de los productores dominantes es una adaptación eficaz a la escasez de nutrientes, ya que cuanto mayor sea el cociente entre la superficie y el volumen, y más lento el hundimiento de las células de fitoplancton en la capa eufórica, mayor es la tasa de absorción de nutrientes.

las corrientes elevan a la superficie las aguas frías y cargadas de nutrientes, la producción de fitoplancton aumenta sustancialmente. Las aguas costeras de Perú, California, noroeste y sudoeste de África, y de la India occidental son ejemplos destacados de ascensión costera de aguas frías. También se dan casos de ascensión mar adentro en la mitad del Pacífico, cerca del ecuador y en las aguas que rodean la Antártida. Otras zonas altamente productivas se encuentran en las aguas poco profundas cercanas a la costa que están enriquecidas por el aporte continental de nutrientes. Este enriquecimiento, con una proporción N/P muy descompensada, es especialmente elevados en los estuarios adonde van a parar grandes cantidades de aguas residuales y fertilizantes.

 

 

 

 

Las diferentes medidas de la productividad en las aguas oligotróficas de los mares subtropicales y de las aguas eutróficas con corrientes ascensionales, varían entre de 50 gC/m² y 1 gC/m², más de un orden de magnitud. Las estimaciones de la producción global de fitoplancton están comprendidas 80.000 y 100.000 millones de toneladas, que representan entre dos tercios y cuatro quintos de la fitomasa total terrestre. Contrasta con el resultado anterior el hecho de que, dado el corto periodo de vida del fitoplancton (1 – 5 días), la fitomasa marina represente sólo una pequeña fracción de todo el almacenamiento terrestre.

La distribución espacial del fitoplancton muestra zonas delimitadas que se extienden a escala local y global. La exploración desde los satélites es, con gran diferencia, la que permite detectar con mayor precisión las concentraciones de clorofila y la que ha posibilitado obtener las pautas de la distribución de fitoplancton. En las aguas que rodean la Antártida se observa claramente una distribución asimétrica en dos bandas casi concéntricas. La mejor distribución se explica por el hecho de que se deba a corrientes circumpolares y a la abundancia de ácido silicílico. las zonas de mayor riqueza de fitoplancton se encuentran cerca de los continentes donde los ríos arrastran abundantes nutrientes disueltos.

 

 

La vida necesita un aporte continuo de energía que llega a la Tierra el Sol y pasa de unos organismos a otros a través de la cadena trófica.

El fitoplancton es la base energética de las intrincadas pirámides tróficas. Las cadenas alimenticias en el océano, generalmente, son redes complicadas. Una gran parte de la fitomasa disponible no la consumen directamente los herbívoros, sino que primero se almacena en depósitos de materia muerta que, transformada por bacterias, se convertirá en alimento otros seres heterótrofos.

 

 

Diatomeas vistas a través de un electrónico.

La gran producción de fitoplancton puede alimentar grandes cantidades de zoomasa. El kril, pequeños crustáceos parecidos a las quisquillas que se alimentan de diatomeas, son los organismos más abundantes en la superficie del mar; sus densas acumulaciones pueden contener mil millones de individuos y su producción anual de zoomasa quizá llegue hasta los 1.300 millones de toneladas. Esta prodigiosa cantidad de zoomasa sirve de alimento a focas, calamares y peces, así como a los mayores carnívoros de la biosfera, las especies de ballenas con barbas que se alimentan filtrando el agua.

emilio silvera