No. 17 QUIMICA DEL PLANETA: NATURALEZA by quimiofilia

no de los tópicos más sensibles de la actualidad es todo lo relacionado al Planeta Tierra. Con temas prácticamente de dominio público y de cultura general, hoy en día casi todos tenemos una muy buena opinión de cómo se debería entender, estudiar, remediar e incluso usar a los recursos del Planeta. En mi opinión dichos temas han sido contaminados con información diversa, confusa y a veces contradictoria, generando pequeñas ideologías alternas que tratan de abordar a la naturaleza, la contaminación y la remediación. Con la intención de iniciar con un punto de apoyo a dichas diversidades es que en Quimiofilia iniciamos con la primera de tres entregas de La Química del Planeta. Lo hemos divido en tres partes que consideramos necesarias para entender las mejores características, problemáticas y posibles soluciones. Así, primero les entregamos lo referente a la NATURALEZA, una recopilación de las características del Planeta en estado no perturbado. El objetivo de esto es colocar un punto de referencia para establecer posteriormente qué entendemos por contaminación y qué se está haciendo para preservar ducha naturaleza y revertir dicha contaminación. No se pierdan nuestra segunda entrega de esta serie en febrero 2021 y la tercera en junio 2021. José Domingo Rivera Ramírez Director y Editor General

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CONTENIDO 03

VIAJE AL CENTRO DE LA GEOQUÍMICA

ROCAS Y MINERALES

PROCESO DE FORMACIÓN DEL PETRÓLEO

EL GAS NATURAL: PASADO QUE TRANSFORMA AL PRESENTE

LA QUÍMICA DEL AGUA

GASES VOLCÁNICOS

ENTREVISTA: DARA SAUCEDO

LA MICROBIOLOGÍA Y LAS TRANSFORMACIONES GEOQUÍMICAS

DISTRIBUCIÓN DE LOS ELEMENTOS

CICLOS BIOGEOQUÍMICOS: LA MATERIA NO SE CREA NI SE DESTRUYE, SOLO SE RECICLA

CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

LA MANIPULACIÓN QUÍMICA DEL TIEMPO ATMOSFÉRICO

Infografía

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Divulgación de la Ciencia Química

AÑO 3, NÚM. 17, OCTUBRE – NOVIEMBRE 2020.

“QUIMIOFILIA” es una revista de publicación electrónica, mediante la cual se promueve la divulgación de la ciencia química, cuyo editor responsable es José Domingo Rivera Ramírez. Reserva de Derechos al Uso Exclusivo del Instituto Nacional de Derechos de Autor: 04-2019-062013201300-203. ISSN: 2683-2364. El logotipo y el nombre con sus variantes, tonalidades, tamaños, formatos y versiones son derechos de Propiedad Intelectual (REGISTRO DE MARCA: 2052060) cuya titularidad le corresponden de manera exclusiva a José Domingo Rivera Ramírez. La difusión de este documento es en formato digital a través de descarga en la página web WWW.QUIMIOFILIA.COM. La comercialización del formato digital por otro medio diverso al indicado con anterioridad o su impresión, sin la autorización por escrito de José Domingo Rivera Ramírez y de los autores de los artículos publicados en el mismo, constituye una violación a las leyes sobre Derechos de Autor y Propiedad Industrial. El presente documento tiene como fin divulgar información al público en general, así como a especialistas, investigadores, estudiantes y profesionistas. El contenido de los artículos publicados y las opiniones expresadas por los autores son responsabilidad de cada uno de ellos y no reflejan necesariamente la postura del editor de la publicación o la opinión de José Domingo Rivera Ramírez. El contenido, promociones y material gráfico que se inserta en los espacios publicitarios son responsabilidad de los anunciantes, por lo que José Domingo Rivera Ramírez no se hace responsable por el tipo de publicidad ni por las ofertas realizadas por los mismos. En la revista QUIMIOFILIA no se promueve, incita, insinúa, sugiere o invita a que la información en ella presentada sea utilizada sin la asesoría de un experto y/o para fines que contravengan las leyes y/o las buenas costumbres de cada país en el que se tenga acceso a la misma.

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Profesor InvestigadorFacultad de Farmacia.Universidad Autónoma del Estado de Morelos rij@uaem.mx

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QUÍMICA DEL

PLANETA

NATURALEZA

PRIMERA PARTE

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Contexto

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VIAJE DE AL CENTRO LA GEOQUÍMICA

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Por Vania Arleim Rojas García Estudiante de 3er semestre QFB, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, México. arleim.roga@gmail.com

Baja al cráter del Yocul Sneffels, que

sombra

del

Scartaris

acaricia antes de las calendas de en la comprensión de nuestro entorno: cómo se formó la Tierra y el Sistema Solar proviene, de la investigación sobre la química de los meteoritos. Además, se ha logrado determinar las profundidades, temperaturas y convección de las cámaras magmáticas, así como, reconocer las plumas del mantoa. Cuánto y qué tan rápido se han elevado los cinturones de montaña y su proceso de erosión. Composición, temperatura y presión de la estructura interna de la Tierra. Incluso, qué tan frías fueron las edades de hielo y qué las causó.1

julio, audaz viajero, y llegarás al centro de la Tierra. Esto es lo que yo he hecho. Arme Saknussem.

ulio Verne presentó esta cita en “Viaje al centro de la Tierra” en 1864 y narra la travesía del profesor de mineralogía Otto Lidenbrock y su sobrino Axel en una expedición arriesgada por la posibilidad de conocer lo que está justo debajo de nosotros. En el ámbito científico, ¿quiénes y qué área enfoca su pasión por explorar, conocer y divulgar las entrañas de la Tierra? La geoquímica.

Los geoquímicos deben especializarse en uno o varios aspectos, como química atmosférica, termodinámica geoquímica, química marina, oligoelementos, química del suelo, etc.1 Los criterios de división -y podrán darse cuenta de que la geoquímica ha sido abordado a nivel macroscópico en este punto- incluyen: geoquímica analítica en contraste con los estudios teóricos; la técnica que se emplea o los tipos de mediciones de las que se ocupa un área (geoquímica de isótopos); el tipo de muestra (geoquímica ígnea y geoquímica orgánica y del petróleo); la clase de cuestiones científicas que se abordan (cosmoquímica); el régimen de presión-temperatura con el que está involucrado un cierto subconjunto de geoquímicos (geoquímica de baja temperaturab ).2

Por la etimología de la palabra, es sencillo suponer qué ciencias intervienen. Pero, ¿cómo se combinan la química y la geología dentro de la geoquímica? La mejor explicación sería afirmar que en la geoquímica se utilizan herramientas de la química para resolver problemas geológicos y su reino comprende la Tierra y se extiende más allá para abarcar todo el Sistema Solar.

En los últimos años, el enfoque cuantitativo en sinergia con la geoquímica ha producido mayores avances en la comprensión de nuestro planeta. Mucho de lo que sabemos sobre cómo se formaron la Tierra y el Sistema Solar proviene, por ejemplo, de la investigación sobre la química de los meteoritos. Se ha logrado determinar las profundidades, temperaturas y convección de las cámaras magmáticas, así como reconocer las plumas del manto. Cuánto y qué tan rápido se han elevado los cinturones de montaña y su proceso de erosión. Composición, temperatura y presión de la estructura interna de la Tierra. Incluso, qué tan frías fueron las edades de hielo y qué las causó.1

En los últimos años, la geoquímica ha producido grandes avances

Un paso importante para incorporar los principios de la quími-

Contexto

GRUPO

Clasificiación de Goldschmidt

Litófilos

Siderófilos

Calcófilos

Figura 1. Clasificación de elementos de Goldschmidt. Nota. Adaptado de “Probando el interior profundo de la Tierra a través de la Geoquímica” (p. 99), por W. White, 2015, Perspectivas Geoquímicas, 4 (2).

ca (a nivel atómico) al estudio de la Tierra fue el trabajo de Victor Goldschmidt, considerado "padre de la geoquímica". Él fue un Químico y mineralogista noruego que, en 1937, sistematizó el comportamiento de los elementos químicos en un contexto de las ciencias de la Tierra2 basándose en cómo se distribuyen los elementos en los meteoritos (figura 1).3 Esta sigue siendo una de las clasificaciones geoquímicas de los elementos más difundida2 porque refiere la composición química de los estratos de la Tierra, desde la atmósfera (atmófilos – afines a los gases), corteza, manto (litófilos -afines a las rocas) y núcleo (siderófilos-afines al hierro y calcófilos- afines al azufre).3 El desarrollo de la geoquímica nos ha permitido teorizar cómo la interacción caótica de átomos ha constituido lo que hoy en día es la Tierra. Entonces, vale cuestionarnos: ¿qué hay en ella y por qué es tan particular esta interacción? A estas preguntas fundamentales, fácilmente las podemos responder de acuerdo con el siguiente modelo.

Atmófilos

o químicamente. Mecánicamente (o reológicamente) se puede dividir en litósfera, astenósfera, manto mesosférico, núcleo (externo e interno). En la siguiente tabla, se muestra la división Química: corteza, manto (superior e inferior), y núcleo (externo e interno) y es resultado de una segregación química que se discutirá más adelante.5,6

Es imposible no remontarnos al surgimiento de nuestro planeta, sistema solar y galaxia: el Big bang. Esa tremenda explosión que lanzó toda la materia al universo y lo increíblemente azaroso de esta explosión, es que los restos de ésta (formados principalmente por hidrógeno y Helio) se convirtieron en las primeras estrellas.

CORTEZA Capa rocosa externa, comparativamente fina de la Tierra. En general, la composición química de la corteza continental es: O (46.6%), Si (27.7%), Al (8.1%), Fe (5%), Ca (3.8%), K (2.6%), Na (2.8%) y Mg (2.1%).7 Tiene la composición de rocas de silicato de Na, K y Al,6 como los minerales feldespatos1. Por el contrario, la corteza oceánica está compuesta por rocas ígneas de silicato, Fe y Mg (como el basalto).5

MANTO SUPERIOR El manto es comparativamente rico en hierro y magnesio, por lo que dominan los silicatos ferromagnesianos, como el olivino y los piroxenos. Las rocas que tienen esa composición característica se denominan ultramáficas.

MANTO INFERIOR A esta profundidad, se cree que el mineral de alta presión espinela, transformado del olivino, experimenta una transformación al mineral perovskita (Mg, Fe) SiO3, por lo que quizá, sea el mineral más abundante de la Tierra.

NÚCLEO EXTERNO Mayor que el planeta Marte, el núcleo es la esfera central densa de la Tierra. Se cree que la composición del núcleo es una aleación de Fe y Ni con cantidades menores de O, Si y S, elementos que forman fácilmente compuestos con el hierro.6

NÚCLEO INTERNO La intensa presión, que aumenta hacia el núcleo interno, cambia drásticamente el punto de fusión del Ni-Fe, haciéndolo sólido.5

ESTRATOSFERA Capa de la atmósfera, más allá de la Tropopausa, se encuentra en una altitud de entre 10 y 50 kilómetros. Principalmente se compone de ozono, forma de oxígeno que combina tres átomos de éste en cada molécula (O3). Su presencia es crucial: el ozono absorbe la radiación ultravioleta (UV) potencialmente dañina del sol.8 Esta diferenciación química planetaria se debe a procesos que tuvieron lugar hace unos 4500 millones de años. Los materiales con más

MODELO GEOQUÍMICO DE LA TIERRA Una manera para estudiar la Tierra se puede abordar en dos formas: mecánica

Tabla 1. Datos representativos sobre la estructura interna de la Tierra 1,5,6

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densidad (como el Fe y Ni), al ser derretidos por el intenso calor, se fueron hundiendo hacia el interior, mientras los menos densos ascendieron hacia la superficie5 como masas flotantes de roca fundida, donde se solidificaron y formaron la corteza primitiva. Estos materiales rocosos estaban enriquecidos en oxígeno y elementos «litófilos»d. Además, algunos metales pesados como el Au, Pb y U, que tienen puntos de fusión bajos o eran muy solubles en las masas fundidas ascendentes, fueron retirados del interior de la Tierra y se concentraron en la corteza. Una consecuencia importante de este período es que permitió que grandes cantidades de compuestos gaseosos se escaparan del interior de la Tierra. Gracias a este proceso fue evolucionando de manera gradual la atmósfera primitiva.6 Las diferencias en la composición química entre las capas, conducen a diferencias en la densidad, ésta disminuye hacia el exterior, originando la razón fundamental por la que sobresalen los continentes sobre los océanos, ya que la corteza continental es menos densa que la corteza oceánica.1 La presencia de diferentes estados de la materia en cada capa se debe a los puntos de fusión relativos y al aumento de temperatura y presión a medida que aumenta la profundidad.5

Una pluma del manto está formada por material a una temperatura mucho más elevada que su entorno (entre 100 y 300 °C de diferencia), es menos densa, de manera que asciende en condiciones casi adiabáticas (casi sin pérdida de calor) en forma de penacho o diapiro. Se trata de una de las formas de disipación del calor interno de la Tierra. b La geoquímica de baja temperatura se ocupa de los procesos químicos que ocurren en condiciones prevalecientes o cercanas a la superficie terrestre, mientras que la geoquímica ígnea ocurre a niveles de temperatura y presión mas altos. d En especial Si y Al, con cantidades menores de Ca, Na, K, Fe y Mg. a

El acceso directo al interior de la Tierra es limitado, por no sonar pesimista. Incluso el sondeo de Kola, un pozo de investigación superprofundo, localizado en un punto remoto del norte de Rusia, sólo ha penetrado 12.3 kilómetros, minúscula fracción del radio de la Tierra, que comprende 6370 kilómetros.6

Bibliografía 1- White, W. M. Geochemistry; Wiley-Blackwell, 2005; pp. 1-17. 2- Mather, T. (2013). Geochemistry. Elsevier Inc. 3- White, W. M. Probing the Earth´s Deep Interior Through Geochemistry. GP, 2015, 4 (2), pp. 97-99. 4- Verne, J. Viaje al Centro de la Tierra, Planeta Mexicana, 2018; pp. 47. 5- Williams, M. (28 de agosto 2020). What are the Earth´s layers? https://phys.org/news/2015-12-earth-layers.html 6- Tarbuck, E. J.; Lutgens, F. K. Ciencias de la Tierra, 8va ed; Pearson Educación, 2005; pp. 14-19. 7- Tarbuck, E. J.; Lutgens, F. K. Earthquakes & Earth´s Interior. Essentials of Geology, 13va ed; Pearson Education, 2016; pp. 261-263. 8- Tarbuck, E. J.; Lutgens, F. K. Global Climate Change. Essentials of Geology, 13va ed; Pearson Education, 2016; pp. 535.

Después de esta exploración a La Tierra desde la geoquímica; podemos concluir que nuestro planeta es un lugar titánico en escala, un producto no terminado, una entidad química y dinámica sujeta a cambios constantes.5 Segundo a segundo ocurren miles de reacciones químicas en presencia de temperaturas y presiones extremas que, actualmente, resulta inconcebible la idea de presenciarlo sin perder la vida en el intento. Afortunadamente, la geoquímica es un acceso, un compendio de conocimiento que a partir de observación, cálculos, análisis, relaciones y razonamientos lógicos da respuesta a dudas que aquejaron por años ¿Llegaremos al día en que la aplicación de la tecnología nos permita físicamente descender al centro de la Tierra? Increíble imaginarlo y alucinante contemplar esa posibilidad, en tanto, sigamos investigando, sigamos divulgando.

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Rocas y Minerales metálicos y no metálicos Por Humberto Flores Méndez Estudiante, Ing. biotecnología, Universidad Abierta y a Distancia de México (UNADM), Puebla, México. f200917960@hotmail.com

n la naturaleza existe una gran variedad de rocas y minerales que son de gran importancia debido a las características que presentan, y generalmente los cúmulos de minerales se encentran distribuidos en un yacimiento o zona de acuerdo a su anión predominante en su composición química, de esta manera, por ejemplo; los sulfuros se encontrarán en depósitos de tipo vetas o reemplazamiento, mientras que los silicatos formarán parte de las rocas en la corteza terrestre.1 Por otro lado, en cuestión de los minerales podemos clasificarlos en elementos nativos, sulfuros, sulfosales, óxidos e hidróxidos, carbonatos, y los silicatos, entre otros. En la Tabla 1 se resumen las características de cada grupo mineral de acuerdo a su composición química.

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Tabla 1. Características de algunos grupos de minerales.¹ ܼ³ Tipos de subgrupo

Características

Ejemplos

Subgrupo del oro

En la naturaleza se encuentran como minerales. Son blandos, maleables y dúctiles ybuenos conductores de electricidad. Sus propiedades (el color principalmente) dependen de los elementos que los conformen.

Oro, plata, cobre y plomo

Subgrupo del platino

Metales duros con puntos de fusión elevados (superiores a los del grupo del oro), su concentración es escasa por lo que su valor es alto en el mercado.

Platino, paladio, iridio y osmio

Subgrupo del hierro

Son de uso comercial en la industria metalúrgica y del acero, rara vez se presentan en estado puro (se encuentran en aleaciones) y se considera que forman parte del núcleo terrestre.

Hierro, alecciones de hierro-niquel, estaño y zinc

Semimetales

Se encuentran en estado nativo, rara vez cristalizan (son amorfos ya que no presentan simetría), son quebradizos y son malos conductores de la electricidad y el calor.

Arsénico, antimonio y bismuto

No metálicos

Son de gran valor comercial e industrial, debido a que pueden servir como combustibles o en joyería.

Carbón mineral, grafito y diamante

Opacos

Poseen brillo metálico y opaco, tienen rayas de color característicos.

La estibinita y la calcopirita

No opacos

Poseen índices de refracción elevados y transmiten luz solo en bordes delgados.

El cinabrio y el oropiemente

Se presentan como minerales secundarios en filones hidrotermales y son asociados con la presencia de sulfuros más corrientes.

La techmanita, la estefanita y la buononita

Óxidos

Son relativamente duros, densos y refractarios. Se presentan en formaciones ígneas y metamórficas.

Hematita, magnetita y cromita

Hidróxidos

Son menos duros que los óxidos y de menor densidad. Aparecen como fase secundaria por efecto de meteorización (principalmente).

La limonita y la estibiconita

Carbonatos

Están constituidos por la combinación de un metal y un grupo carbonato y son de los más abundantes, son generalmente blancos, su característica principal es que se pueden disolver y efervescen en solución de ácido clorhídrico.

Calcita, aragonito y dolomita

Silicatos

Comprenden casi una tercera parte de los minerales conocidos, algunos de estos son preciosos y se pueden emplear como cerámicos. Poseen una elevada dureza y son poco alterables, se constituyen principalmente de SiO4 y otros elementos.

Gemas, la fayalita y el circón

Grupo mineral

Subdivisión

Metálicos

Elementos nativos

Sulfuros

Sulfosales

Óxido e hidróxidos

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Como podemos observar, los minerales presentaran características de acuerdo a su composición química, las cuales en muchos de los casos son de gran utilidad en la vida cotidiana (como en el caso de los metales y silicatos).3 Sin embargo, existen otros factores de interés para comprender la formación tanto de las rocas como de los minerales, entre estos factores podemos destacar los procesos mediante los cuales al someter a los diferentes elementos químicos podemos explicar la formación de este tipo de materiales. Básicamente podemos encontrar en la naturaleza cinco tipos de procesos de formación de rocas y minerales que se nombran según sus entornos metamórficos, entre estos tipos encontramos los siguientes: 1. El metamorfismo de contacto, el cual es el resultado de un aumento de la temperatura en las rocas encajadas en el contacto inmediato con instrucciones ígneas o con afluentes de lava. En este proceso se lleva a cabo una cristalización rápida y desordenada de minerales, ya que las deformaciones son demasiado débiles como para soportar alineaciones cristalinas bien marcadas. Este proceso también se conoce como termometamorfismo y produce rocas denominadas corneanas las cuales se constituyen principalmente de olivino y ortopiroxeno. 2. En el proceso de metamorfismo regional se involucran grandes cadenas montañosas, así, en este proceso existe un gran aumento de temperatura y presión que se origina desde el manto terrestre, por lo que la deformación resultante en la zona de la corteza terrestre da lugar a rocas deformes y con foliación muy acentuada, típicamente se pueden encontrar entre sus componentes algunas partes de granete y biotita.

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3. El dinanometamorfismo es un proceso en el cual se realizan movimientos bruscos de gran impacto que provocan la ruptura y recristalización de los minerales, pero en tamaños más pequeños. Al tratarse de deformaciones dúctiles, la temperatura puede aumentar hasta 300 °C generando la formación y alteración de rocas como el cuarzo. 4. En el metamorfismo hidrotermal, implica la existencia de reacciones químicas provocadas por la recirculación de fluidos a gran velocidad y temperatura. Entre estos procesos el metamorfismo de fondo oceánico es el más representativo, aunque es un proceso lento puede cambiar la composición química original de la roca debido a que desprende componentes volátiles, un ejemplo común es la formación de epidotita. 5. Aunque el metamorfismo de impacto no tiene nada que ver con la naturaleza de los demás procesos descritos, es de gran importancia debido a que favorece la formación de minerales que difícilmente se podrían formar en la tierra, este suceso es producto del choque de meteoritos a gran velocidad con la corteza terrestre, un tipo de producto obtenido debido la fundición de cuarzo por medio de ondas de choque y es el vidrio diaplectico. El cual requiere de una gran presión para ser formado. La formación de rocas y minerales en nuestro planeta está regida no solamente por la composición química de los minerales, sino también por las variables termodinámicas (presión, temperatura y velocidad de reacción) que en la mayoría de los casos intervienen en el ordenamiento estructural de las rocas y sus minerales.4 Bibliografía 1. Servicio geológico mexicano. (22 de marzo del 2017). Clasificación de los minerales. Disponible en: http://www.sgm.gob.mx/web/museovirtual/minerales/clasificación-de-los-minerales.html 2. Danas S., Edwar, Ford., E, William, tratado de mineralogía: con un tratado extenso sobre cristalografía y mineralogía física (1975) vol. 1, pp 241-275. 3. Wendy Patricia Orozco-Centeno, John Willian Branch Bedoya & Jovani Alberto Jiménez-Builes. Classification of fine-grained igneous, sedimentary and metamorphic rocks through structured programming (2014) Boletín de Ciencias de la Tierra (36), pp 5-9. DOI: http://dx.doi.org/10.15446/rbct.n36.44037 4. Yardley, B.W.D., Mackenzie, W.S., Wilford, C. Atlas de rocas metamórficas y sus texturas. Masson,1986 pp 1-60.

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Por Paulina Belen Aguirre Molina Estudiante carrera de Química, Universidad Central del Ecuador, Quito, Ecuador aguirrepaulina1998@hotmail.com

Proceso

formación del

petróleo l petróleo es un líquido viscoso de color verde, amarillo, marrón o negro constituido principalmente por es una mezcla de compuestos orgánicos e hidrocarburos aromáticos, naftalénicos y parafínicos cuya composición química es de átomos de carbono e hidrógeno y otros compuestos orgánicos en menor proporción como el azufre, nitrógeno y metales pesados.1

La palabra petróleo proviene del latín "petroleum", que significa "aceite de piedra", que resulta de la descomposición de restos acuáticos animales y vegetales. En la actualidad desempeña un papel importante en la economía y desarrollo mundial, es la principal fuente de energía y de combustibles. Además, los productos primarios extraídos mediante su refinación poseen diversos usos tanto industriales como domésticos.

La formación de los primeros yacimientos de petróleo comenzó en los océanos, después de la separación del supercontiente Pangea hace más de 200 millones de años.2 El proceso de formación del petróleo se ilustra en la Figura 1; inicia cuando algunos microorganismos animales y vegetales mueren y caen al fondo del océano, son enterrados por capas de sedimentos inorgánico formando un ambiente con ausencia de oxígeno debido a que la atmósfera no interactúa con la materia en descomposición y bajo condiciones de elevada presión, altas temperaturas y la acción de bacterias, los restos orgánicos se transforman en un material ceroso conocido como kerógeno. A temperaturas entre 90 °C y 160 °C, el kerógeno se transforma en petróleo y gas.3 Este proceso tarda entre 10 y 100 millones de años, siendo el petróleo un recurso no renovable por su extenso tiempo de formación.

Figura 1. Proceso de formación del petróleo.

El petróleo no se encuentra en las rocas en las cuales se formó, sino que migra a sedimentos de mayor permeabilidad que actúan como reservorios para impedir su escape. Esta movilidad del petróleo hace que sea difícil conocer exactamente el periodo geológico en el cual se originó. Se estima que alrededor del 70% el petróleo existente en la actualidad se formó en la era Mesozoica (hace 252 a 66 millones de años), el 20% en la era Cenozoica (hace 65 millones de años) y solo el 10% se formó en la era Paleozoica (hace 541 a 252 millones de años).3 Y, ¿cuál es el papel del petróleo en el desarrollo tecnológico y económico a nivel mundial? Hemos escuchado, leído u observado en varias fuentes de información que el petróleo desempeña un papel importante en la economía y el desarrollo de los países. Esto surge a mediados del siglo XIX con la llegada de los automóviles y los nuevos medios de transporte en el ámbito comercial como trenes, aviones y barcos. Alrededor del 95% de todo el transporte funcionaba con productos petrolíferos remplazando a los combustibles de carbón y leña de la época. Con transportes más baratos y eficaces, las empresas podían trasladarse cada vez más lejos y más rápido, llegando a más clientes, repartiendo más productos y explotando más mercados lo que dio un impulso a la economía. Actualmente es la principal fuente de energía del planeta y representa el 36.4% del total de la energía mundial. Además, es materia prima en numerosos procesos de la industria química y el producto más importante de comercio entre los países.4

Principales productos primarios extraídos del petróleo

El petróleo crudo que sale de los pozos es sometido a un proceso de refinado para separar varios de sus componentes o apartar las cadenas de hidrocarburos que serán destinadas a usos específicos. El refinado se inicia con una destilación fraccionada en una torre de 50 metros de altura con compartimentos horizontales, se calienta el petróleo crudo hasta 400 °C y se extraen los diferentes productos destilados según sus puntos de ebullición.2 Los productos principales que se obtienen son los siguientes:5 A) El gas de síntesis: es utilizado como combustible en los procesos que conllevan la producción de los derivados del petróleo crudo. B) Los gases licuados del petróleo: corresponden a los gases propano y butano (sustancias cuyo punto de ebullición está comprendido entre -165 °C y 0 °C)2 se emplean para uso domestico como gas de calefacción y cocina. C) Las gasolinas: se destilan a un punto de ebullición entre los 30 °C y 200 °C.2 Comprenden una gama de productos, destinados a los motores de combustión interna del trasporte vehicular.

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D) Los querosenos: fracción del petróleo con punto de ebullición entre 150 °C y 300 °C.2 Se utilizan principalmente como combustibles en las turbinas a reacción de aviones. E) Los gasóleos o también conocidos como combustible Diesel: son productos de amplio uso como combustibles en motores de vehículos pesados para uso industrial o doméstico. F) Los fuelóleos: son productos utilizados como energéticos para generar energía eléctrica o en el sector industrial. G) Los lubricantes: utilizados en la industria automotriz y en el sector de la maquinaria industrial. H) Los asfaltos: son productos residuales de la refinación que se usan para la pavimentación de carreteras o como impermeabilizantes.

Para finalizar, los compuestos obtenidos son refinados nuevamente, así por ejemplo, después de eliminar las impurezas de la fracción de la gasolina se obtienen distintas mezclas de parafinas con diversos usos comerciales como el éter de petróleo, ligroína, etc.6 Y, por otro lado, la industria petroquímica ocupa ciertas fracciones resultantes de la refinación del petróleo para la elaboración de una amplia gama de productos entre los que destacan principalmente los plásticos obtenidos a partir de procesos de polimerización de hidrocarburos,2 y los cuales tienen diversos usos a nivel industrial como materia prima para la fabricación de envases, embalajes, fibras, etc. Otros productos petroquímicos que se producen a gran escala a partir de los derivados del petróleo son los detergentes, jabones, fertilizantes, productos farmacéuticos, textiles, entre otros.

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Bibliografía 1. Castillo, F; Biotecnología ambiental; Editorial Tébar, S.L.; Madrid; 2005. 2. Comunidad de Madrid; El petróleo; Domenech, S.A.; Madrid; 2002. 3. J.M.K.C. Donev et al. Energy Education; Oil formation [Online]. Publicado 04 de enero de 2019: https://energyeducation.ca/encyclopedia/Oil_formation. [Consultado: octubre 05, 2020]. 4. Administración de la Comunidad Autónoma del País Vasco; El petróleo y la energía en la economía; GRAFO, S.A. 5. Arzata, S.O.; El mundo del petróleo: origen, usos y escenarios; Fondo de Cultura Económica; México D.F.; 2012. 6. Klages, F; Tratado de Química Orgánica; Barcelona; Reverte, S.A; 1968

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EL GAS

NATURAL:

PASADO QUE TRANSFORMA AL PRESENTE Por Humberto Gómez Martínez Jefe de Investigación y Desarrollo, Inovatium S.A. de C.V., Irapuato, Gto., México. betogomex@gmail.com

l gas natural es una mezcla gaseosa incolora altamente flamable compuesta principalmente de metano y etano,1 que se forma debajo de la superficie de la tierra.2 Debido a que los yacimientos de gas natural están situados en diferentes lugares, y, por consiguiente, sometidos desde su nacimiento a distintos factores, cada uno de estos tendrá una composición diferente, sin embargo, típicamente el gas natural tiene la composición química descrita en la Tabla 1. Los primeros descubrimientos de gas natural registrados, tienen lugar entre los años 6000 y 2000 A.C.1 Aunque desde entonces se tiene conocimiento de este combustible, no siempre se utilizó como tal y por muchos siglos éste se utilizó principalmente para ritos religiosos en la antigua Persia, India y Grecia. La teoría más aceptada explica que la formación del petróleo y el gas natural ocurrió cuando la materia orgánica (restos de plantas y animales), quedó sepultada en

la tierra y se sometió a presiones muy elevadas por largos periodos de tiempo (millones de años)3. Estos depósitos están asociados a los periodos carbonífero y pérmico temprano, que abarcan desde los 358.9 a 273 millones de años1. Los depósitos de gas y petróleo más comunes son: arenisca (SiO2), roca caliza (CaCO3) y dolomita (mineral mixto, CaCO3•MgCO3). Los elementos básicos para que se forme un depósito son varios, entre ellos se encuentran: una fuente de roca, la cual contendrá el material orgánico que será convertido en petróleo y gas; una ruta de migración, ésta permitirá al petróleo y gas moverse de la roca al depósito; una fuente de roca contenedora, dicha roca deberá tener una porosidad y permeabilidad adecuada para permitir almacenar el fluido; y por último, un sello, que consiste en una capa de roca impermeable que evita el escape del petróleo y/o el gas natural a la superficie de la tierra (Figura 1).4 Aunque las condiciones anteriormente mencionadas proveen de un ambiente ideal para la formación de petróleo y gas, estos pueden tener diversos orígenes, como son: termogénico, biogénico y abiogénico. El proceso de formación termogénico consiste en un una lenta descomposición de la materia orgánica por parte de microorganismos anaeróbios que quedan atrapados sobre roca sedimentaria, esto da lugar a macromoléculas complejas que, con el tiempo, presión y temperatura, forman gas natural y petróleo. El origen biogénico corresponde a la formación de metano debido a la acción de bacterias metanogénicas sobre residuos orgánicos. La metanogénesis se ve favorecida en ambientes donde aceptores de electrones como O2, NO3-, Fe3+ y SO42- es limitado. Debido a que varias clases de microorganismos pueden llevar a la formación de gas natural por esta vía, también es probable que sucedan fenómenos como la acidogénesis y acetogénesis. Por otra parte, el proceso abiogénico es relativamente más sencillo, en él, se utilizan los gases volcánicos (material inorgánico), y se forma metano por la reducción del dióxido de carbono durante el enfriamiento del magma. Es común encontrar este tipo de sistemas en las chimeneas hidrotermales en donde el agua entra en contacto con la roca fundida2.

Como se mencionó anteriormente, estos procesos toman mucho tiempo y condiciones muy específicas para que podamos tener combustibles que generen energía eléctrica, enciendan nuestra estufa o contribuyan al desarrollo de la sociedad como la conocemos, mediante su transformación a otros productos de mayor valor agregado. Por lo tanto, es necesario conocer la composición del gas natural. Una herramienta imprescindible para este fin es la cromatografía de gases, sin ser ésta la única técnica analítica para su caracterización fisicoquímica. También se utilizan análisis espectroscópicos como: espectrofotometría infrarroja (IR), espectrometría de masas (MS), resonancia magnética nuclear (RMN), espectrofotometría ultravioleta (UV) y difracción de rayos X. Además, se realizan otras determinaciones como viscosidad, densidad, distribución del punto de ebullición, punto de inflamación, tensión superficial, contenido de agua y sedimento,

Categoría

Componente

Parafinas

Metano Etano Propano Butano Pentano Hexano

Cantidad (%) 70-98 1 - 10 <5 <2 <1 < 0.5

Cíclicos

Ciclopropano Ciclohexano

Trazas Trazas

Aromáticos

Benceno y otros

Trazas

Grases no combustibles

Nitrógeno < 15 Dióxido de carbono <1 Sulfuro de hidrógeno Trazas* Helio <5 Compuestos de azufre y nitrógeno Trazas* Agua (como vapor) <5 *Compuestos encontrados ocasionalmente

Tabla 1. Composición química aproximada del gas natural5.

Figura 1. Principales depósitos de petróleo y gas1.

etc., que se ejecutan bajo métodos estandarizados (ASTM, por ejemplo).4 Tomando en cuenta la composición, propiedades fisicoquímicas del gas natural y posición geográfica, presión, tipo de roca (porosidad y permeabilidad) del depósito, los procesos de aprovechamiento de gas natural están orientados a optimizar la extracción de este. Si existen las condiciones necesarias que indican la viabilidad para efectuar una perforación (y la instalación de un pozo de extracción), ésta se puede realizar en

forma vertical (u horizontal, según sea el caso), para extraer el gas natural. En los depósitos convencionales de gas natural, este generalmente fluye a través de los pozos hacia la superficie. Sin embargo, estas no son las únicas formas de extraer gas natural. Cuando este combustible está asociado a esquisto y otros tipos de formaciones rocosas sedimentarias, se inyecta agua, compuestos químicos (ácidos, tensoactivos, disolventes, entre otros) y arena, en el pozo a alta presión. A este proceso también se le conoce como fractura hidráulica, fracking, o producción no convencional, debido a que es necesario romper la estructura rocosa para liberar el gas natural permitiendo que este fluya hacia la superficie. En la parte superior del pozo, el gas natural es transferido a las plantas de procesamiento mediante tuberías (Figura 2).6

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Figura 2. Procesos de extracción de gas natural7.

Además de la extracción, el gas natural tiene que pasar por varias operaciones (Figura 3) para cumplir con las especificaciones requeridas, según sea su aplicación y/o uso final. Normalmente, este tratamiento se realiza en plantas ubicadas en el mismo pozo de extracción o es llevado hasta ellas por medio de tuberías4.

Azufre

Recuperación de azufre

Gas Natural

Recepción

Remoción de gas ácido

Deshidratación, remoción de mercurio y mercaptanos

Gas, preenfriado, separación de líquidos de gas natural

Licuefacción

Eliminación de nitrógeno

Gases licuados de petróleo Fraccionamiento

Condesado de planta

Tratamiento de condensados

Condesado de campo

Figura 3. Secuencia típica para el procesamiento de gas natural8.

Compuestos con más de 5 átomos de carbono

Condensados

Gas natural licuado

Debido a la variedad de lugares en los que se pueden encontrar depósitos de gas natural, hay países que poseen mayores reservas que otros, haciendo de este combustible una importante fuente de energía y un valioso recurso en el mercado mundial. 7%

A la estimación del volumen de gas que hay en determinado lugar se le llama reserva probada, ésta es una zona que posee volúmenes de gas calculados con una certeza razonable mediante métodos determinísticos, probabilísticos y mixtos9. En la Figura 4 se presentan las principales reservas probadas de gas natural en el mundo.

7% 9%

Es importante considerar la cantidad de reservas de un país, puesto que estas dan cierto respaldo económico, debido a que por lo menos hoy en día, la comercialización de combustibles fósiles sigue siendo un pilar para algunos países, y, por lo tanto, una materia prima valiosa capaz de aportar fluidez a la economía mundial.

39%

Total:

196.9 trillones de metros cúbicos

32%

A pesar de que México es un país con este recurso, hasta el año 2017, la cantidad de reservas probadas era de 355,700,000,000 de metros cúbicos, ocupando el lugar número 36 de los países con mayores reservas probadas de gas natural. Los países con mayores reservas probadas de gas natural se enlistan en la Tabla 2.

Medio ambiente Comunidad de Estados Independientes Asia del Pací˛ƧȌ África

A pesar de que al gas natural es considerado como un combustible limpio12, dependiendo de su proceso de extracción, este puede provocar serios daños ambientales4,13. Además, el uso de este combustible a lo mucho disminuirá modestamente la cantidad de gases de efecto invernadero si lo comparamos con otros combustibles como el carbón. Por lo que la recomendación general recae en dejar de lado estos recursos no renovables tan pronto como sea posible y sustituirlo con otras tecnologías que suministren energía con un menor impacto ambiental13.

América del norte América Central y Sudamérica Europa Gráfica 1. Distribución de reservas probadas de gas natural en el mundo10.

Bibliografía 1- Carruthers, J. E.; Solomon, L. H.; Atwater, G. I.; Riva, J. P.; Waddams, A. L. Natural Gas | Definition, Discovery, Reserves, & Facts | Britannica. Encyclopædia Britannica, inc. 2- Faramawy, S.; Zaki, T.; Sakr, A. A.-E. Natural Gas Origin, Composition, and Processing: A Review. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2016, 34, 34–54. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2016.06.030.

País

Reservas (m3)

Rusia

47,800,000,000,000

Irán

33,500,000,000,000

Qatar

24,300,000,000,000

5- Speight, J. G. 4 - Composition and Properties. Gas Natural: A Basic Handbook, (Second E., Ed.; Gulf Professional Publishing: Boston, 2019; pp 99–148. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809570-6.00004-7.

Estados Unidos de América

8,714,000,000,000

6- Natural gas explained - U.S. Energy Information Administration (EIA) https://www.eia.gov/energyexplained/natural-gas/ (accessed Oct 6, 2020).

Arabia Saudita

8,602,000,000,000

7- What Is Natural Gas and Where Does It Come From | CAPP https://www.capp.ca/natural-gas/what-is-natural-gas/ (accessed Oct 6, 2020).

Turkmenistán

7,504,000,000,000

Emiratos Árabes Unidos

6,091,000,000,000

Venezuela

5,701,000,000,000

Nigeria

5,284,000,000,000

8- Speight, J. G. 1 - History and Use. Gas Natural: A Basic Handbook, (Second E., Ed.; Gulf Professional Publishing: Boston, 2019; pp 3–24. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809570-6.00001-1. 9- Víctor, R.-P. Sistema de Estimación, Certificación y Aprobación de Reservas de Hidrocarburos En México; Análisis de Desempeño. Ing. Investig. y Tecnol. 2013, 14 (3), 451–460. https://doi.org/10.1016/S1405-7743(13)72257-1. 10- BP. Natural Gas – BP Statistical Review of World Energy 2019; 2019.

China

5,194,000,000,000

11- The World Factbook — Central Intelligence Agency https://www.cia.gov/library/publications/the-world-factbook/rankorder/2253rank.html (accessed Oct 6, 2020).

3- Speight, J. G. 2 - Origin and Production. Gas Natural: A Basic Handbook, (Second E., Ed.; Gulf Professional Publishing: Boston, 2019; pp 25–57. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809570-6.00002-3. 4- Speight, J. G. Handbook of Natural Gas Analysis; Wiley Online Library, 2018.

12- Speight, J. G. 5 - Recovery, Storage, and Transportation. Gas Natural: A Basic Handbook, (Second E., Ed.; Gulf Professional Publishing: Boston, 2019; pp 149–186. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809570-6.00005-9.

Tabla 2. Países con las mayores reservas probadas de gas natural11.

13- Howarth, R. W. A Bridge to Nowhere: Methane Emissions and the Greenhouse Gas Footprint of Natural Gas. Energy Sci. Eng. 2014, 2 (2), 47–60. https://doi.org/10.1002/ese3.35.

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QUÍMICA

AGUA

DEL

Por Isaac Serna Gutiérrez Estudiante de Químico Farmacéutico Biólogo Universidad de Guanajuato, División de Ciencias Naturales y Exactas sernaisaac69@gmail.com

La historia del agua s común escuchar la pregunta: ¿cómo llegó el agua a la Tierra? Pero existe una pregunta aún más interesante: ¿cómo se originó el agua en el universo? Como bien lo ha descrito la ciencia, uno de los primeros átomos en originarse debido al Big Bang fue el hidrógeno,1 uno de los dos componentes del agua, este elemento se empezó a formar a partir de partículas elementales a tan solo 3 minutos del Big Bang2 cuando las condiciones eran las correctas. Los demás elementos más pesados posteriormente se formaron dentro de las estrellas por la fusión de núcleos de hidrógeno y helio; de esas fusiones surgió el oxígeno, el segundo componente del agua. Investigadores de la University College London (UCL), usando el radiotelescopio ALMA ubicado en Chile, han rastreado el origen del oxígeno a unos 600 millones de años después del Big Bang.3 Ahora, ¿cómo se encontraron para formar dicho compuesto y como llegó a la Tierra? En algún momento, las primeras estrellas que se formaron empezaron a colapsar, de este colapso ocurre un evento astronómico

Figura 1. Islas Revillagigedo, Colima.

conocido como supernova (Figura 2), en donde la fuerza resultante genera una explosión que esparce inmensas nubes interestelares de gas y polvo, las cuales, entre otros elementos y compuestos, pueden contener partículas de hielo; dicho de otra manera, el agua se formó con la muerte de las primeras estrellas.4

La llegada del agua a la Tierra es algo que sigue en debate científico, lo más aceptado hasta el momento es que llegó por medio de cometas y asteroides que colisionaron con nuestro planeta en su desarrollo temprano cuando aún no teníamos una atmósfera protectora. Estos cuerpos celestes son candidatos a la razón de la existencia del agua en nuestro planeta debido a estudios isotópicos comparando sus niveles de agua y agua pesada (agua formada por átomos de Oxígeno y átomos de Deuterio, uno de los isótopos del Hidrógeno) con los niveles encontrados en la Tierra, aun así, no significa que todo el agua de nuestro planeta llegó de esa manera, se estima que al menos 10% del agua en la Tierra se podría deber a cometas.5

más influyentes, otro factor es que el agua pluvial puede reaccionar con el CO2 en los suelos (que está allí debido a las actividades biológicas como la descomposición) y produce ácido carbónico (H2CO3), que si bien es un ácido débil, puede reaccionar con algunos minerales del suelo y de los acuíferos para dar lugar a la variedad de solutos que encontramos en el agua proveniente de estas tierras subterráneas, de hecho, el 95% de los solutos encontrados en estas aguas + + Na + , Ca2 , Mg2 , K+, Cl-, SO42- y HCO3-, se compone de 7 iones predominantes: lo demás está conformado por otros oligoelementos y una variedad de isótopos. Es claro que todo lo antes mencionado puede variar según la localización y las características geoquímicas de los suelos.

Figura 2. SN 1604 (Supernova de Kepler).

Figura 3. Mineral conocido como dolomita.

Características químicas de los mantos acuíferos Los acuíferos son capas subterráneas de sedimento poroso por el cual el agua puede circular y con las cuales puede reaccionar. Las características químicas del agua, en estado natural dependen del recorrido inicial del agua pluvial hasta llegar a los acuíferos y de lo que estos estén hechos; los minerales (Figura. 3) que lo componen son uno de los factores

Para dar un ejemplo, en el caso de los mantos acuíferos del Río Bravo en México,6 el cual, para la obtención de los solutos existentes en estas aguas, los minerales que aportan dichos solutos se pueden observar en la Tabla 1. Además de obtenerse por minerales, ciertos iones se pueden obtener por medio de reacciones de intercambio iónico, por ejemplo, de sodio con minerales de arcilla que contengan calcio o magnesio.

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que produce CO2 y otros gases, así como indirectamente de las especies de animales y plantas que interactúan con el agua, estos organismos dan como resultado la presencia de iones no conservativos como el hierro, cobre, zinc, plomo, etc.7

Tabla 1. Minerales presentes en el acuífero del Río Bravo, así como los iones que aportan.

Mineral(es) de origen

Iones que se encuentran disueltos

Anhidrita (CaSO4) y yeso mineral (CaSO4∙2H2O)

Ca2+ y SO42-

Piedra caliza (CaCO3) y dolomita (CaMg(CO3)2)

Ca2+, Mg2+ y HCO3-

Hálito (NaCl)

Na+ y Cl-

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La concentración de iones presentes, puede variar dependiendo de la estación del año, debido a que diferentes factores externos se presentan en cada estación, por ejemplo: en verano hay mayor cantidad de lluvias que llegan a los cuerpos de agua, y en otoño hay una caída elevada de hojas que posteriormente son descompuestas por los organismos responsables de la descomposición, se podría decir que la dureza (concentración de minerales) del agua puede variar según la temporada.7 En general, los factores que más influyen en la composición de las aguas continentales son:

La química de las aguas continentales y las aguas oceánicas

• Condiciones geomórficas y geoquímicas. • Vegetación circundante. • La interacción de las especies que directamente habitan en los cuerpos de agua. • La estación del año y las condiciones climáticas en determinado momento.

Las aguas continentales son todas aquellas que se encuentran dentro de un dado continente, algunos ejemplos son los ríos y los lagos, pero incluso hay mares interiores, como en el caso del mar Negro (Figura 4) que está ubicado (encerrado) entre Europa oriental y Asia Occidental.

En el caso de las aguas oceánicas, la afluencia de las aguas continentales que desembocan en ellas y la llegada de aguas subterráneas son algunos de los contribuyentes más importantes a su contenido químico. Otro contribuyente importante son las fuentes hidrotermales (Figura 5), que pueden afectar el pH del agua y favorecen al contenido de iones, principalmente de Mg2 +, Ca2 + y SO42-.8 Haciendo una comparación entre las concentraciones de los iones más comunes en las aguas continentales y las aguas oceánicas, encontramos los siguientes:

Figura 4. Imagen satelital del mar Negro.

De manera similar a los acuíferos, la composición química de las aguas continentales dependen de factores abióticos como la composición de los minerales subterráneos, de la composición de los suelos circundantes y de las lluvias provenientes de los mares, estos minerales en particular se conocen como sales cíclicas; también depende de factores bióticos como la descomposición de materil orgánico

Ion

Aguas oceánicas (mmol/kg)

Aguas continentales (mmol/kg)

Na+ Mg2+ Ca2 + K+ ClSO42HCO3-

468.0 53.1 10.3 10.2 546.0 28.2 2.39

0.26 0.17 0.38 0.07 0.22 0.11 0.96

Es notable la baja salinidad de las aguas continentales a comparación de las oceánicas, esta diferencia se debe en parte a las características dinámicas de los distintos cuerpos de agua. Algunas de las sales prese-

ntes en los ríos son debidas a lluvias provenientes de los océanos, estas sales al igual que las que se hayan juntado por medio de los acuíferos son llevados de vuelta al mar, en pocas palabras, las lluvias reaprovisionan a los ríos con agua de baja salinidad, y la salinidad de los mares y océanos permanece en promedio constante.

formar las nubes y al evaporarse desde la supe-ficie terrestre, no es solamente agua, lleva consigo una variedad de minerales o iones en concentraciones dependientes de su punto de origen o de otros factores que se mencionaron antes, se puede decir entonces que lo que se evapora es una solución acuosa diluida de diferentes componentes. Esa solución, por medio del aire, es transportada a distintos lugares en donde cada zona a la que llega implica diferentes procesos, por ejemplo, al llegar a una zona fría y/o montañosa, la lluvia se puede solidificar al caer o incluso las nubes gaseosas pasan a ser sólidas en forma de nieve, a lo que conocemos como deposición, independiente de la zona pero dependiendo de la temperatura, la lluvia pasa a formar corrientes que pueden desembocar en ríos o lagos, y de ahí ser transportadas de vuelta al mar por la superficie en un proceso de transporte que se conoce como runoff. Sin embargo, antes de regresar al mar, en algún punto del runoff, el agua se encuentra con una bifurcación en su camino; por un lado tenemos el camino directo al mar por medio de los ríos, y por el otro tenemos el camino subterráneo en donde el agua, en su paso a través de la superficie de la tierra hasta penetrar en esta (llamado infiltración) y después por su movimiento a través del suelo (llamado percolación) puede llegar hasta el mar siguiendo corrientes subterráneas en el acuífero o posiblemente sea absorbido (uptake, consumo) por las raíces de las plantas y ser transpirado a través de sus hojas para volver a condensarse.9 Desde el origen del universo hasta nuestro pálido punto azul, el agua ha tenido su lugar a través del espacio y del tiempo, y una gran importancia para nosotros, no solo porque mayoritariamente estamos compuestos de agua, sino que la requerimos para vivir. Es interesante saber que la composición del agua depende de muchos factores que no siempre se toman en cuenta, desde seres vivos como los minúsculos organismos descomponedores hasta los animales que habitan, o se aprovechan de este recurso natural, hasta los minerales que yacen bajo el suelo, todo se conecta para darnos la salinidad característica de los mares y océanos, o la frescura de los lagos y ríos.

Figura 5. Fuente hidrotermal de la dorsal atlántica.

El ciclo del agua Algo que afortunadamente se nos enseña desde pequeños, es la importancia del agua y su correspondiente ciclo (Figura 6) sin meterse tanto a las reacciones y consecuentias químicas que intervienen en las propiedades de esta sustancia vital. De una manera resumida, el ciclo del agua consiste en la evaporación, condensación y precipitación del agua, a la que llamamos lluvia, pero eso no explica la composición química del agua o al menos deja fuera gran parte de los factores que intervienen en ella. Para empezar esa agua está en constante evaporación incluso cuando se condensa para

Figura 6. El ciclo del agua. Bibliografía 1. Romo de Vivar, A.; Delgado, G., Química, Universo, Tierra y vida. 4 ed.; Fondo de Cultura Económica: México, 2011. 2. Ye, C. How did the first element form after the Big Bang? https://astronomy.com/magazine/ask-astro/2018/12/the-first-element (recuperado el 22 de agosto del 2020). 3. Rebecca, T. Oxygen first formed in the universe at least 13 billion years ago. https://www.chemistryworld.com/news/oxygen-first-formed-in-the-universe-at-least-13-billion-years-ago/2500537.article (recuperado el 22 de agosto del 2020). 4. de Souza, K.; Winters, O. C., The When and Where of water in the History of the Universe. 2018. 5. Stierwalt, S. How did water get on Earth? https://www.scientificamerican.com/article/how-did-water-get-on-earth/ (recuperado el 23 de agosto del 2020). 6. Bartolino, J. R.; Cole, J. C., Chemical characteristics of water in the aquifer system. In Ground-Water Resources of the Middle Rio Grande Basin, U.S. Geological Survey, circular 1222: 2002; pp 92-93. 7. Penkov, I. Natural water quality in streams and rivers. https://echo2.epfl.ch/VICAIRE/mod_2/chapt_4/main.htm (recuperado el 2 de septiembre del 2020). 8. Paytan, A. Seawater Composition Changes (global cycles). http://ocean.stanford.edu/courses/bomc/chem/lecture_12.pdf (recuperado el 2 de septiembre del 2020). 9. NOAA Water Cycle. https://www.noaa.gov/education/resource-collections/freshwater/water-cycle (recuperado el 8 de septiembre del 2020).

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GASES

VOLCÁNICOS Fuego como formador de elementos Por Arlen Camilo Ceballos Licenciado en Ciencias Naturales: Física, Química y Biología Universidad Surcolombiana Neiva, Huila – Colombia arlenceballos@hotmail.com

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n la formación geológica de la tierra, los volcanes han cumplido un papel determinante tanto para la formación de la corteza oceánica y continental, como para el orígen de la vida. De igual forma, se considera que la actividad volcánica y su escala geológica han permitido el desarrollo de los suelos fértiles, y con ello el auge de la actividad agrícola y el progreso de las civilizaciones.1 En el desarrollo de la tierra, gracias al material primordial del sistema solar, se formó un manto el cual posee un espesor de 2.900 km alrededor del núcleo, cuyo diámetro es de 6.800 km y que tiene una masa de 1.87 x 1027 g.2 Lo mencionado anteriormente, junto con procesos de fusiones parciales en estas capas (descompresión y evaporación), acreción de material no subducible, y colisión de masas continentales, forman doce placas tectónicas, que llegan a exponer niveles muy profundos de la corteza continental.3 Cuando estas placas se tallan o chocan, se ejerce una gran presión e intenso calor, ocasionando la fundición de la roca y la producción de magma.

El punto en la superficie terrestre que permite la salida del magma, gases y la presión, se conoce como volcán. Ésta erupción de material provoca relieves positivos de diversas morfologías, por lo tanto, es difícil la definición o caracterización de estas formaciones, dado que este complejo proceso, asención y evolución provoca un comportamiento diferente en su formación y su estructura.1a En los límites de las placas tectónicas se encuentra un aumento en la actividad volcánica.4 Éstas emisiones de magma, generan circulaciones de gas volcánico, lo que para la vulcanología representa grandes indicios del comportamiento y evolución de los sistemas magmáticos.5 Los elementos circundantes en estas emisiones son el carbono (C), oxígeno (O), hidrógeno (H), azufre (S), cloro (Cl), bromo (Br), flúor (F) y silicio (Si); los cuales reaccionan entre sí para producir formas de especies abundantes en los gases, como el vapor del agua (H2O), dióxido de azufre (SO2), ácido fluorhídrico (HF) y ácido clorhídrico (HCl).6

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La composición de los gases se relaciona con la composición del magma. Por ejemplo, cuando se genera una erupción volcánica efusiva, el magma emanado tiene bajo contenido en sílice y menor contenido de material volátil, esto es característico en los Hot Spots. Por el contrario, en las erupciones volcánicas explosivas el magma es ácido, lo que conlleva a una alta cantidad de sílice y elementos volátiles.7 Así, los gases de los volcanes hacen referencia a las sustancias volátiles emanadas durante el proceso de erupción y constituyen la mayor parte del volumen de las erupciones volcánicas. El H2O, CO2 y SO2 son los tres gases más abundante durante las erupciones.8 Asimismo, en el proceso de erupción volcánica, cuando se emiten los componentes de cenizas y gases, se causa una reacción entre el dióxido de azufre (SO2) y el ácido clorhídrico (HCl) que, junto con el agua forman ácido sulfúrico, y consecuentemente, se genera un desequilibrio atmosférico (H2SO4).9 Si bien es cierto que estas especies primarias se presentan en mayor proporción durante las erupciones, es de aclarar que no son las únicas, pues también hay compuestos como el óxido de bromo (BrO), el dióxido de nitrógeno (NO2) se da cuando el N2 reacciona con O2 para formar NO, que luego reacciona rápidamente con oxidantes, como O3 y O2H, para producir NO2; cabe mencionar que esta fijación térmica de nitrógeno atmosférico ocurre en la superficie caliente de la lava. De igual forma si ocurre oxidación se forma acido nítrico (HNO3).10 Como es posible prever, estas emisiones de gases, en la cual la mayoría son tóxicos tanto para el ser humano como para el medio, ocasionan consecuencias como la lluvia ácida, el efecto invernadero, smog volcánico, y escudo solar. Asimismo, estos gases pueden generar tormentas eléctricas y fuertes lluvias. Durante el proceso de formación de la tierra y la formación de las placas tectónicas, la actividad volcánica y el vulcanismo han representado fenómenos que se derivan de procesos naturales, propiciando dinámicas que potencian el desarrollo biológico de la tierra, los procesos de evolución de los organismos y el desarrollo social a partir de los recursos naturales. La erupción volcánica es un elemento primordial para la liberación de la presión en las capas terrestres, producción de material como gases, ceniza y la generación de calor; ocasionando cambios graduales con impactos climáticos y participación en procesos naturales.

Bibliografia 1. a) Sigurdsson, H.; Houghton, B.F.; Mcnutt, S.R.; Rymer, H. y Stix, J., “Encyclopedia of Volcanoes”, Primera edición, Academic Press, 2000. b) Witze, A., “Global volcano risk quantified: UN assessment aims to save lives by aid-ing planning”, Nature, 2015, 519, pp. 16-17. c) Lookwood, J.P. y Hazlett, R.W., “Volcanoes: global perspectives”, Primera edición, Wiley & Sons, 2010. 2. Seyfried, H., Worrier, G., Uhlig, D., Kohler, I., y Calvo, C. “Introducción a la geología y morfología de los andes en el norte de chile”. Chungará 1998, (30)1, pp. 7-39. 3. Coira, B., Davidson, Mpodozis, C. y Ramos, V. Tectonic and magmatic evolution of the Andes of northern Argentina and Chile. Earth Science Review, 1982, 18: pp.303-332. 4. a) Cottrell, E., “Global Distribution of Active Volcanoes”, in Papale, P. and Shroder, J.F. (eds.), Volcanic Hazards, Risks and Disasters, Elsevier, 2014. b) López Ruiz, J. y Cebriá, J.M., “Procesos y riesgos volcánicos”, Estudios Geológicos, 2007, no. 63, pp. 41-65. 5. Allard, P., Burton, M. y Mure, F. Spectroscopic evidence for a lava fountain driven by previously accumulated magma-tic gas. Nature, 2005, 433(7024), pp. 407-410. 6. Sawyer, G.M., Carn, S.A., Tsanev, V., Oppenheimer, C. y Burton, M. Investigation into magma degassing at Nyiragongo volcano, Democratic Republic of the Congo. - Geochem. Geophys. Geosyst., 2008, 9(2).pp. 1-17 7. Kusky, T., “Volcanoes: Eruptions and Other Volcanic Hazards”, Facts on File, Inc., USA, 2008. 8. Bignami, C.; Bosi, V.; Costantini, L.; Cristiani, C.; Lavigne, F. y Thierry, P.E., “Handbook for volcanic risk management: Prevention, crisis management, resil-ience”, European Commission, 2012. 9. Self, S., “The effects and consequences of very large explosive volcanic eruptions”, Philosophical Transactions of the Royal Society, 2006, 364, pp. 2073-2097. 10. a) Oppenheimer, C., Tsanev, V.I., Braban, C. F., Cox, R.A., Adams, J.W., Aiuppa, A., Bobrowski, N., Delmelle, P., Barclay, J. y Mcgonigle, A.J.S. BrO formation in volcanic plumes. - Geochim. Cosmochim. Acta, 2006, 70(12): pp.2935-2941. b) Mather, T.A., Allen, A.G., Pyle, D.M., Davison, B.M., Oppenheimer, C. y Mcgonigle, A.J.S. Nitric acid from volcanoes. - Earth Planet. Sc. Let., 2004, 218, pp. 17-30.

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Entrevista

Dara Salcedo Por Cristina González y Jesús Rivera

Parte 1. La composición química de la atmósfera. Quién sabe en otros países, pero en Latinoamérica es raro ver a científicos que hayan tenido por mentores a ganadores del Premio Nobel; y no es que solo con esa medalla se pueda tener credibilidad o calidad científica, pero definitivamente se trata de niveles científicos de un alto nivel de exigencia y excelencia que sí es posible distinguir y valorar. En esta ocasión pudimos entrevistar a la Doctora Dara Salcedo, quien fue alumna de uno de los pocos Premios Nobel de Química latinoamericanos, Mario Molina, de México, quien pasó de esta vida el pasado 7 de octubre de 2020. Casi todos argumentamos aportar algo al medio ambiente desde la ciencia, pero muy pocos lo hacen en un auténtico nivel técnico y científico. En Quimiofilia nos enorgullece poder traerles una entrevista con Dara Salcedo, una auténtica especialista en Química de la Atmósfera.

C - Comencemos por plantear la condición natural de la atmósfera, ¿de qué se compone la atmósfera? Principalmente de gases: nitrógeno, oxígeno, argón, eso da casi el 99.9% de la composición de la atmósfera; y después hay otros gases a lo que llamamos “gases traza”, porque están en una menor concentración, y sin embargo es donde está lo más interesante de la química. El nitrógeno y el argón son importantes pero son inertes, el oxígeno también es importante, pero los gases traza son los más interesantes y los más importantes. Entre ellos está el CO2, que es el gas de efecto invernadero que es fundamental en la atmósfera; además están un montón de otros gases de los que seguro han oído hablar: ozono, óxido de nitrógeno, compuestos orgánicos, SO2, metano, otros gases de efecto invernadero, etc. Otro de los gases más importantes en la atmósfera es el agua, pero como es muy variable en tiempo y en espacio, generalmente siempre la tratamos aparte.

Tomada del sitio web de: Jimenez Research Group, Department of Chemistry and CIRES, University of Colorado at Boulder.

Además de los gases, hay otra parte importante de la atmósfera que es a lo que conocemos como aerosoles, que son partículas suspendidas en la atmósfera. El agua líquida también se encuentra en la atmósfera en lo que llamamos gotas de nubes, pero normalmente hacemos distinción entre gotas de nubes y aerosoles, porque a pesar de que también son partículas suspendidas, son más grandes; las gotas de nubes miden alrededor de 100 micras (µm) y son principalmente compuestas de agua. Por el contrario, cuando hablamos de aerosoles, hablamos de partículas más pequeñas, de 10 micras para abajo, y en donde el agua no es un componente principal; sí pueden tener agua, pero suelen contener otro tipo de compuestos, desde minerales, compuestos orgánicos, carbón elemental, compuestos inorgánicos, entre otros.

C - Ya que hablamos de los aerosoles, ¿Cómo se producen los aerosoles atmosféricos? Los distinguimos entre aerosoles primarios y secundarios. Los aerosoles primarios son aerosoles que son colocados directamente en la atmósfera. Una forma de producir aerosoles primarios es por resuspensión, por ejemplo, polvo que simplemente pasa el viento y lo levanta, y lo pone en la atmósfera; o aerosoles marinos que, cuando rompen las olas, se forman un montón de gotitas que salen a la atmósfera; pueden ser inyectados por volcanes, los cuales sueltan bastantes aerosoles.

Entrevista Otra fuente de aerosoles es la quema de biomasa, por incendios forestales, o quema de combustibles antropogénicos, ya sea industriales o de vehículos. Lo que llamamos aerosoles secundarios son los que se forman directamente en la atmósfera, por dos motivos: por condensación de compuestos poco volátiles, o por reacciones químicas que forman compuestos no volátiles. Tenemos compuestos en la atmósfera a los que llamamos volátiles, es decir, que siempre están como gases (CO2 ozono, etc); pero también tenemos una serie de compuestos semi-volátiles, que significa que en condiciones ambientales pueden estar ya sea como gas o como partícula. El ejemplo más claro es el agua, porque calentamos un poquito y se evapora, y bajamos un poco la temperatura y se condensa. Así como el agua hay muchos otros compuestos semi-volátiles. Muchos compuestos orgánicos son semi-volátiles. Otro ejemplo es el ácido nítrico, en presencia de amoniaco forma nitrato de amonio, que se va directo a las partículas; como gas puede disolverse si tenemos mucha agua en la partícula, y se queda dentro de esas partículas. Otro ejemplo de una partícula que se forma in situ en la atmósfera es el ácido sulfúrico o el sulfato, éste se forma a través de reacciones químicas. Lo que sucede es que el dióxido de azufre se emite a la atmósfera directamente, proveniente de volcanes y emisiones biogénicas (hay muchos microorganismos en los océanos que generan naturalmente SO2). Todo ese SO2 en la atmósfera se oxida, y una vez que se oxida forma ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico no es nada volátil, es un compuesto al que no le gusta estar en la fase gas, se va a nuclear, y va a formar aerosoles. Si hay otras partículas alrededor del ácido sulfúrico, éste se va a condensar con esas partículas, si no, forma partículas nuevas, y estas partículas nuevas son partículas secundarias. Si hay amoniaco en la atmósfera, también se combina con el amoniaco, para formar sulfato de amonio.

C - Esta composición tan rica y tan variada ¿cambia a través de las capas de la atmósfera? Sí, claro. La composición más compleja es la que está más cerca de la superficie, porque en la superficie es donde tenemos todas las emisiones. Esa primera capa se llama troposfera, y su composición es súper variada, tanto espacial como temporalmente; dependiendo de en dónde estás, las emisiones son diferentes, y dependiendo de estas emisiones, pues la composición cambia. La composición sobre el océano es completamente diferente a la composición sobre un bosque, o sobre una ciudad.

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¿cómo llegó el ozono a la parte superior de la atmósfera?”

Conforme vas subiendo, la siguiente capa es la estratósfera. Entre estas dos capas hay una capa a la que llamamos tropopausa. La tropopausa es básicamente un tapón que no permite que haya convección, es decir, no permite que haya transporte hacia arriba, a la estratósfera. Generalmente el aire va subiendo y se topa con la tropopausa y da la vuelta. Muy pocos compuestos de los que están en la troposfera suben a la estratósfera, y de hecho la química de la estratosfera es mucho más sencilla porque no hay tanta variedad de compuestos.

Es que el ozono es un compuesto secundario, no hay una fuente directa de ozono en la atmósfera, siempre se forma in situ. El ozono que encontramos en la estratósfera está todo formado por reacciones de luz ultravioleta con oxígeno. Y claro, hay muy poquito oxígeno, pero es suficiente para generar ese ozono. J- En una plática de niños chiquitos escuché la pregunta “¿por qué no inyectamos Ozono a la atmósfera?” ¿sería factible?

Entonces, ¿qué compuestos suben a la estratósfera? Pueden subir aquellos que son directamente inyectados. Por ejemplo, los volcanes cuando generan plumas super altas, en lo que llaman explosiones plinianas, pueden inyectar directamente compuestos en la estratosfera. Se inyectan compuestos de azufre, como dióxido de azufre, entre otros.

El ozono que está aquí abajo es diferente al que se forma allá arriba, el que está allá arriba se formó allá arriba, no hay transporte de ozono entre las capas. ¿Lo podemos inyectar? Pues, tendríamos primero que generar todo ese ozono, y después encontrar una forma de inyectarlo.

Lo que también puede entrar a la estratosfera son compuestos que tienen una vida muy larga en la atmósfera. La mayoría de los compuestos que entran a la troposfera no viven más de unos meses, algunos viven días o incluso sólo horas; y eventualmente se convierten en otra cosa o regresan a la superficie. Sólo los compuestos que están el suficiente tiempo pueden cruzar poco a poco la barrera de la tropopausa. Los clorofluorocarbonos son un ejemplo. El chiste de estos compuestos, y por lo que fueron tan importantes y se usaban tanto en la industria, es precisamente porque viven mucho tiempo; y como viven mucho tiempo, están el suficiente tiempo en la atmósfera como para cruzar la barrera y llegar allá, a la estratosfera, que es donde causan problemas. Compuestos como N2O, que es el otro compuesto de efecto invernadero, también puede cruzar a la estratósfera. Dos ejemplos más son el agua y el metano, que también viven lo suficiente para cruzar.

J - ¿Cuánto ozono necesitamos generar? Aquí abajo no queremos ozono, hablamos de partes por billón (PPB), en atmósferas limpias hablamos de 20-40 PPB, lo que quiere decir que de 109 moléculas, sólo queremos que de 20-40 sean de ozono, lo cual implica del orden de 1010 moléculas de ozono por cm3. En la estratosfera la cantidad de ozono con respeto a otras moléculas es mayor (alrededor de 10 partes por millón, es decir, una de ozono por 106 de otras especies). A pesar de que la densidad del aire es mucho menor en la estratósfera, esto implica que hay alrededor de 1012 moléculas de ozono por cm3; esto es 100 veces más que en la troposfera.

C - ¿Qué es lo que hace de la atmósfera habitable? Lo primero que la hizo habitable fue la presencia de agua líquida, porque en el agua líquida es donde se formaron las primeras moléculas biológicas, que con el tiempo se organizaron para generar vida.

Una vez en la estratósfera la química es completamente diferente, porque tenemos menos compuestos, sin embargo, lo que hay allá (estratósfera) que no tenemos en la troposfera, es la luz ultravioleta. La luz ultravioleta abre toda una serie de reacciones químicas, diferentes a las que podemos tener acá. Acá abajo casi no tenemos luz ultravioleta, tenemos muy poquita, y la mayoría de las reacciones que se llevan a cabo son reacciones de oxidación, que ocurren por los radicales -OH. En cambio allá arriba, mucha de la química comienza con la luz ultravioleta.

Yo creo que es eso, el agua líquida y la temperatura, todo lo demás se ha ido modificando. La atmósfera donde originalmente se formó la vida no era la atmósfera que tenemos ahorita, en ese entonces no había oxígeno. Los primeros organismos vivos no utilizaban oxígeno. Una vez que comenzó a haber organismos vivos que generaban oxígeno fue un problema, porque el oxígeno era tóxico para todos estos primeros microorganismos.

J - Con mis chicos de fisicoquímica, en la facultad de Farmacia, hemos hecho la reflexión: “concon-

Si hablamos de nosotros, los humanos, las cosas que hacen que una atmósfera sea habitable en este momento son: la temperatura, el oxígeno y la capa de ozono. La capa de ozono porque nos protege de la luz ultravioleta,

forme vas aumentando la altura, hay menos oxígeno en la atmósfera; incluso cuando vas en un avión, te ponen la indicación de que si hay una despresurización te cae tu mascarilla de oxígeno. Entonces

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el oxígeno porque lo necesitamos para vivir, y la temperatura porque seguimos necesitando agua líquida. Pero de esos 3 elementos, solamente la temperatura es coincidente con la atmósfera primitiva. No había oxígeno, y por lo tanto, tampoco había ozono. De hecho, fue bueno que no hubiera ozono, porque en la atmósfera primitiva la luz ultravioleta podía llegar a la troposfera, y probablemente la luz ultravioleta fue una fuente de energía importante para que se formaran las primeras moléculas biológicas. Quizás si no hubiera habido luz ultravioleta, todas las reacciones que generaron las primeras biomoléculas no hubieran ocurrido.

C -Adelantándonos a la segunda parte de esta serie de la Química del Planeta Tierra, podría mencionarnos ¿cuáles son los indicadores que se utilizan para medir qué tan sana está la atmósfera, la calidad del aire? Utilizamos lo que se llaman contaminantes criterio, que son los contaminantes más comunes y que se encuentran en concentraciones que pueden hacer daño a la salud. Esos contaminantes criterio son: Ozono, SO2, CO, óxido de Nitrógeno, material particulado, PM10, PM2.5. Antes también estaba el plomo, aunque ya tiene varios años que se eliminó de las gasolinas, todavía es contaminante criterio, pero ya nadie se preocupa por él porque ya no hay concentraciones muy altas. Cada uno de ellos, las normas de calidad del aire definen concentraciones máximas que estos contaminantes criterio deben tener para no dañar la salud humana.

C- Finalmente, en el tema de los virus, las enfermedades respiratorias y en específico, la pandemia actual, ¿cómo afecta la calidad del aire? Además de ocasionar daño pulmonar ¿es posible que también contribuya al transporte del virus? No, no creo que la calidad del aire tenga nada que ver con el transporte. La mala calidad del aire puede hacer que tu sistema respiratorio se encuentre más irritado de las mucosas, y quizás eso pueda hacerte más vulnerable a una infección por el virus, pero que te puedas contagiar más fácil por el transporte no. Estamos hablando de diferentes escalas, hasta donde entiendo el transporte del virus es a corta distancia, no viaja mucho en la atmósfera como para poder contagiar a alguien que se encuentra muy lejos.

¿Quieres saber más sobre la calidad del aire? No te pierdas la segunda parte de esta interesantísima entrevista en el número 19 , que saldrá en febrero del 2021.

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MICROBIOLOGÍA Y LAS TRANSFORMACIONES GEOQUÍMICAS

Por Miriam Mayela Alcocer Anaya Estudiante, Universidad de Guanajuato, Guanajuato, México. mm.alcoceranaya@ugto.mx

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asan desapercibidos, son los principales responsables de la habitabilidad de la tierra y fundamentales para la sustentabilidad de los ecosistemas, se trata de los microorganismos.1 Gracias a su impresionante diversidad metabólica, su enorme variabilidad genética, son capaces de colonizar a todo lo largo y ancho del planeta tierra: en la atmósfera, en la superficie terrestre, en lo más profundo del océano y lugares poco propicios para albergar la vida; como Thermus aquaticus, una bacteria extremófila encontrada en el interior de una fuente termal del parque Nacional de Yellowstone (Estados Unidos), ¡sobreviviendo a temperaturas superiores a los 75 °C!1-4 Siendo de los principales factores que afecta la biodisponibilidad en un ecosistema, dentro de las funciones que desempeñan los microorganismos involucran: el hacer posible el reciclaje de los nutrientes tomando un papel activo en la descomposición de la materia y los ciclos biogeoquímicos; la meteorización y deterioro de metales y minerales para la formación del suelo (biotransformaciones geoquímicas), y mantener un equilibrio mediante interacciones bióticas con otros organismos de su biosistema.1,3,5,6 Al decir microorganismo, muchas veces imaginamos un organismo patógeno al que debemos temer porque casi siempre se hace referencia a ellos como causantes de múltiples afecciones al ser humano. Sin embargo, en esta ocasión se hace referencia a cualquier procariote o eucariote, que no puede ser observado a simple vista en toda su complejidad, nos referimos a cualquier bacteria, hongo o protozoario que interacciona de alguna manera con los componentes vivos (bióticos, plantas, animales u otros microorganismos) o no vivos (abióticos, como el suelo, la radia-

ción, la atmósfera, etc.) del ecosistema en el que habita.1,5,7 Cuando se establecen estas interacciones es inevitable hablar de las condiciones bioquímicas que imperan en el ambiente y para ello, se ocupan algunas ramas de la ecología, como la sinecología, que tienen por objeto de estudio, los sistemas formados entre distintas especies que habitan un ambiente con características definidas (a lo que llaman biosistema), implicados en un proceso dinámico de intercambio y regulación de materia y energía.2 De acuerdo con Ana Lang (2003), los factores involucrados en el crecimiento y desarrollo de los microorganismos son: 1) el hábitat; 2) el sustrato, entendido como fuente de energía y nutrientes; 3) el pH y la temperatura del medio, óptimos para sus procesos metabólicos; 4) la humedad disponible; 5) la presión atmosférica; 6) el potencial óxido-reducción 7) las toxinas; y 8) las asociaciones con otros individuos.2,7 Sin embargo, surge la pregunta, ¿Cómo y porqué es que pueden afectar tan directamente en las condiciones del ecosistema e influir tanto en los demás individuos que lo habitan?

El ciclo de nutrientes Existen alrededor de 40 elementos en la tabla periódica que son esenciales para que sea posible la vida en la tierra, y según la cantidad de cada nutriente requerida por un sistema biológico se agrupan como macronutrientes (como el Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Calcio, Fósforo, Magnesio, Potasio, Sodio, Azufre y Cloro), indispensables para cualquier proceso metabólico; y en micronutrientes (como el Zinc, Hierro, Yodo, Cobre, Magnesio, entre otros), indispensables sólo para algunas actividades enzimáticas. Estos nutrientes se encuentran disponibles en el ambiente en el que un individuo se desarrolla y para ello existen los ciclos biogeoquímicos, que permiten el reciclaje de la materia, como en el caso del Dióxido de Carbono, liberado de la respiración celular y aprovechado posteriormente por las plantas fotosintéticas para transformarlo nuevamente en oxígeno molecular, necesario para la cadena

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respiratoria; los microorganismos del suelo y el aire participan activamente en los ciclos biogeoquímicos, desintegrando física y químicamente los componentes orgánicos e inorgánicos liberando nuevamente los nutrientes a disposición del resto de los organismos.3 a) El Ciclo del Nitrógeno: El nitrógeno es fundamental en los seres vivos para la síntesis de proteínas. A pesar de que la atmósfera es casi 78 % Nitrógeno, éste se encuentra en su forma molecular (N2), sin embargo, las plantas y otros organismos no puede asimilarlo de esta manera; por lo que mediante absorción directa, las bacterias Azotobacter (bacterias aerobias) y Clostridium (anaeróbicas), van a fijar el Nitrógeno molecular y mediante el proceso denominado Nitrificación, las bacterias, Nitrosomonas y Nitrobacter, transforman el amoniaco (NH3, resultante de la descomposición ambiental del N2, y la materia orgánica en descomposición), en Nitritos (NO-3) y, finalmente en Nitratos (NO-2); sales que pueden ser aprovechadas por el resto del biosistema, para luego devolver el Nitrógeno al ambiente en forma de materia orgánica muerta, en un proceso denominado Denitrificación.3,8 b) El Ciclo del Carbono, el Fósforo y el Azufre: Estos ciclos, involucran la migración de la biomasa (materia en descomposición) a través de las diversas cadenas tróficas. El ciclo de los nutrimentos involucra los siguientes procesos sucesivos: 1) absorción y acumulación por organismos vivos de elementos del entorno abiótico (sistemas no vivos del ambiente); 2) la distribución de la materia entre los organismos como resultado de herbivoría, depredación y parasitismo; 3) la migración territorial de organismos; 4) la formación de materia orgánica muerta como resultado de la excreción y muerte de organismos; 5) la descomposición de la biomasa y el retorno de los elementos al entorno abiótico.8 Por ejemplo, en el ciclo del azufre, la materia orgánica, producto de los

deshechos de plantas y animales es descompuesta por algunas bacterias, produciendo como resultado sulfuro de hidrógeno (H2S). Este compuesto llega a la atmósfera donde en medio aerobio da origen a sulfatos (SO42-).3 Algunos ejemplos de las bacterias responsables de la transformación de los sulfuros son Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Sulfolobus spp. y Acidianus brierleyi.5

Biotransformaciones geoquímicas Además de numerosos factores físicos, químicos y bióticos que influyen sobre las condiciones medioambientales, las reacciones químicas que se producen en el metabolismo microbiano dependerán de su clasificación.1-3 Estas clasificaciones se otorgan con base en alguno de los siguientes criterios: 1) según la fuente energía que utilizan, pueden ser quimiótrofos (energía proveniente de oxidaciones químicas) o fotótrofos (energía obtenida a partir de la luz solar); 2) según la fuente de carbono, pueden ser heterótrofos (cuya fuente es la materia orgánica), o autótrofos (la fuente de carbono es el CO2); o bien, si la fuente de electrones (átomos de Hidrógeno) es de compuestos orgánicos o inorgánicos, entonces son organotrófos o litótrofos, respectivamente.3 Dentro de sus funciones metabólicas, los microrganismos son capaces de llevar a cabo diversas biotransformaciones geoquímicas mediante diversos mecanismos, como son: la asimilación, captación, degradación, solubilización, movilización o inmovilización de metales y compuestos orgánicos e inorgánicos.5 Estos mecanismos, se llevan a cabo gracias a ciertas reacciones químicas, como parte de su metabolismo para aprovechar nutrientes. Las principales reacciones involucradas son la metilación o desmetilación, implicadas en los procesos de solubilización de elementos para su fijación o movilidad; y las reacciones de óxido-reducción (pérdida y ganancia de electrones). Por lo tanto, los microorganismos son probablemente el factor más importante que influye sobre los sistemas de transferencia de electrones (redox) en ecosistemas.1,5

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Interacciones bióticas entre los microorganismos Las relaciones bióticas en la naturaleza se definen como una interacción asociación entre dos organismos diferentes en la que ambos son beneficiados. Representan una de las evidencias más de la evolución y adaptación para la supervivencia.3,5 Los principales microorganismos simbiontes que han sido estudiadas con relación en las transformaciones geoquímicas son los líquenes (hongos en simbiosis obligada con organismos fotosintético), y las micorrizas (relación simbiótica entre un hongo y las raíces de una planta).5 Los líquenes, se componen de un organismo fotosintético (fotobionte), que puede ser un alga o cianobacteria; y un hongo (micobionte), generalmente Ascomycota o Basidiomycota. A cambio de la fuente de Carbono, el micobionte provee de factores de crecimiento a su asociado y le ayuda a regular sus requerimientos de agua y luz.2 La asociación de los líquenes permite a ambas especies su supervivencia en ambientes pobres en nutrientes, como las superficies de las rocas o los troncos de los árboles, en donde ninguno podría sobrevivir aisladamente2. Los líquenes se encuentran en prácticamente todos los ambientes de la superficie terrestre, y tienen un papel importante en procesos biogeoquímicos, contribuyendo principalmente a lo que se denomina meteorización o biomineralización, para la formación del suelo, también involucrados en la fijación de compuestos como el dióxido de carbono y el Nitrógeno molecular, para su distribución al resto del biosistema. Algunos incluso, son capaces de acumular metales tóxicos como Plomo o Cobre y formar una gran variedad de minerales, precipitándolos como oxalatos, óxidos o carbonatos, minerales de uso humano y otros organismos en su microambiente.2,5,6

Por otro lado, casi todas las plantas terrestres dependen de una micorriza simbionte, es decir, de la colonización de sus raíces por microorganismos no patógenos. Éstas pueden ser clasificadas en endomicorrizas y ectomicorrizas según se encuentren al interior de las células de raíz o fuera de éstas, y su asociación involucra brindar una fuente de carbono por parte de las raíces, y recibir fitohormonas para su crecimiento y desarrollo fisiológico por parte de los hongos micorricóticos.2,4 Las micorrizas están involucradas tanto en la movilización de las fuentes minerales, mediante la solubilidad, como en la inmovilización de metales, mediante su fijación. Además, dan lugar a cambios fisicoquímicos para la meteorización de los minerales del suelo liberando los minerales inertes como silicatos y minerales del fosfato (apatito, cuarzo o el feldespato de potasio). Finalmente, una función de los hongos tanto endo, como ectomicorríticos tienen que ver con la habilidad de disolver algunos metales como son el Cadmio, Zinc o Cobre, la movilización y redistribución de minerales para su biodisponibilidad.2,5 El papel activo de los microorganismos en los procesos de biotransformación de la materia, ciclos biogeoquímicos, la formación y sedimentación del suelo; los coloca como uno de los principales factores responsables de la biodisponibilidad de los elementos esenciales para que exista la vida. Desde el punto de vista bioquímico, los microorganismos son motivo de asombro y no de temor, es importante, además, tomar en cuenta la función que toma cada individuo dentro de un ecosistema y cómo contribuye, tanto de manera negativa como positiva, en la salud de su ambiente; tal como intuyó el autor argentino M. W. Tschapek “Es necesario saber no solamente que el fenómeno está presente o que existe, sino por qué está presente o por qué existe”.1

Bibliografía 1- Pidello, A. Ecología microbiana: química redox. Rosario, Argentina: Corpus Editorial; 2011; pag. 12-17 y 53-56. 2- Anaya Lang, A. L. Los Microorganismos y la Ecología Química; En Ecología química. México D.F, Mexico: Plaza y Valdés, S.A. de C.V; 2003; pag. 95-138. 3- Luis Fontana, J. Ciclos Biogeoquímicos; En Principios de ecología. Córdoba, Argentina: Editorial Brujas; (2015); pp. 181-189. 4- Rothschild, L. J., & Mancinelli, R. L. Life in extreme environments. Nature, 2001; 409(6823), 1092–1101. https://doi.org/10.1038/35059215 5- Gadd, G. M., & Gadd, G. M. Metals, minerals, and microbes: geomicrobiology and bioremediation. Rev. of Microbiology 2010; 156, pp. 609–643. https://doi.org/10.1099/mic.0.037143-0 6- Michael-Gadd, G. Geomicrobiology of the built environment. Nature Microbiology; 2017; 2(16275); pp.1-9. http://doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.275 7- V. Godoy, E. Diccionario de ecología, (2a. ed.); Valletta Ediciones; 2009; pag. 141, 237. 8- Reading, F. Matter and Matter Flows in the Biosphere; Global Ecology; 2001; 2279–2292.

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a determinación de la composición química de la tierra y cada una de sus partes (núcleo, manto y corteza) es posible gracias a los estudios en geoquímica, mediciones sísmicas y geofísica. La corteza terrestre ocupa el 1% del volumen total del planeta; su profundidad es de entre 5 y 70 km. El manto representa el 84 % del volumen de la Tierra, esta parte se puede dividir en dos secciones, una que alcanza una profundidad de entre 35.5 a 400 Km en las zonas de subducción conocida como manto superior que posee una temperatura de entre 500 a 900° C y, otra que denomina manto inferior, la cual se puede ubicar a una distancia de entre 660 y 2900 Km por debajo de la superficie terrestre y llega a alcanzar una temperatura de 6000 ° C. Finalmente el núcleo ocupara cerca del 15% del volumen de la tierra y su centró se ubicaría a 6000 Km de la corteza terrestre, posee un espesor de 300 Km y permanece a una temperatura de entre 4000 a 5700 ° C.

Distribución de los elementos en el

Por Humberto Flores Méndez Estudiante, Ing. biotecnología, Universidad Abierta y a Distancia de México (UNADM), Puebla, México. f200917960@hotmail.com

Planeta Tierra

Composición química del manto inferior

Ti 0.06%

Cr 1%

Composición química de la corteza terrestre

Co 0.01%

Ti 1%

otros 0.13%

Mg 3% AI 8% Si 27%

AI 0.98%

O 45% Si 24%

Ni 2%

Se compone de: O (oxigeno), Si (silicio), Mg (magnesio) y Fe (hierro) los cuales conforman casi el 97% de la masa.

Ca 1.04%

Cr 1% O 2%

Composición Cr química 0.27% Ti del manto 0.01% superior Co 0.25% Si 7%

Ca 5%

Fe 6%

Integrado de cinco elementos: O (oxigeno), Si (silicio), Al (aluminio), Fe (hierro) y Ca (calcio), estos representan casi el 92% del peso de la corteza terrestre.

Fe 7%

Composición Ni del Núcleo 5%

Cr 0.26%

O 46%

Mg 21%

Ni 0.19%

otros Co 2% 0.13%

Co 0.01% Otros 0.1%

AI 2% Mg 24%

O 44% otros 0.03%

Si 22%

Constitución similar a la del manto inferior, debido al intercambio de materia entre estas dos zonas.

Fe 6%

Formado por una aleación de Fe-Ni (hierro-níquel) que conforman casi un 80 o 90 % de la masa del núcleo y el resto son elementos puros más ligeros que el Fe.

Fe 85%

Bibliografía: 1. APA citation: What are the Earth's layers? (2015, December 7) retrieved 28 August 2020 from https://phys.org/news/2015-12-earth-layers.html 2. DUQUE ESCOBAR, GONZALO. Manual de Geología para Ingenieros. Capítulo 4. La Tierra sólida y fluida. Universidad Nacional de Colombia. Manizales Versión revisada 2013; pp 112-130.

Ni 0.2%

Ca 2%

3. McDonougha, W.F.; Sun, S.S. The composition of the Earth. Chemical Geology, 1995, 20, 223-253. doi.org/10.1016/0009-2541(94)00140-4 4. Javoy, M.: Kaminski, E.; Guyot, F.; Andrault, D.; Sanloup C.; Moreira, M.; Labrosse, S.; Jambon A.; Agrinier P.; Davaille, A.; Jaupart. C. The chemical composition of the Earth: Enstatite chondrite models. Earth and Planetary Science Letters 2010, 293, 259–268. doi.org/10.1016/j.epsl.2010.02.033 5. Allkgre, C. J. Poirier, J. P. Humler, E. Hofmann, A. W. The chemical composition of the Earth. Earth and Planetary Science Letters 1995, 134, 515-526. doi.org/10.1016/0012-821X(95)00123-T 6. Zhao, Y. Anderson D. L. Mineral physics constraints on the chemical composition of the Earth’s lower mantle. Physics of the Earth and Planetary Interiors 1994, 85, 273-292. doi.org/10.1016/0031-9201(94)90118-X www.Quimiofilia.com

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Ciclos Biogeoquímicos: La materia no se crea ni se destruye; sólo se recicla. Por: Brandon Alberto Pulido Hernández

En los años 70 James Lovelock, junto con Lynn Margulisa, enunció la Hipótesis Gaia –en honor al rol que desempeñaba esta diosa en la cosmogonía griega–. En ella, se referían a Gaia como una entidad planetaria viviente,1 un “superorganismo”, constituido por seres vivos, mares, atmósfera y suelos, que se relacionaban y convergían a través de un sistema autorregulado. La naturaleza científica de dicha hipótesis puede estar sujeta a debate. Sin embargo, es imposible negar la existencia de una “danza natural”, donde la materia es la “danzarina” principal, que se transforma, renueva y recicla. Estos procesos son llamados ciclos biogeoquímicos. Amalgamas de interacciones geológicas, biológicas, y por supuesto, procesos químicos. Los ciclos del carbono, nitrógeno, fosforo, oxígeno y agua son los más relevantes debido a su participación en uno de los aspectos más distintivos de nuestro planeta, la vida.

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Ciclo del Agua El ciclo del agua comienza su andar con la energía calorífica. Fuentes de calor como el sol y los volcanes calientan el agua almacenada en océanos, plantas, permafrost, o magmab, evaporándola o sublimándola hacia la atmósfera. La energía calorífica rompe las interacciones que mantienen unidas a las moléculas de agua –mayormente puentes de hidrógeno– y les permite pasar a fase gaseosa. El agua en fase gaseosa se condensa y forma las nubes, que abandonan su lugar en el cielo, precipitándose a manera de lluvia o nieve. Estas divergen, fluyendo en la superficie o filtrándose en el suelo. En el primer caso el destino son ríos, lagos y océanos, donde el ciclo inicia nuevamente. En el segundo, el agua se filtra en el suelo y forma depósitos que pueden permanecer milenios, o fluir lentamente de vuelta a fuentes superficiales, donde se reincorpora al ciclo.

a James Lovelock, químico creador del detector por captura de electrones (ECP). Se interesó por el estudio de la atmosfera marciana. Lynn Margulis fue una bióloga, famosa por su teoría de la endosimbiosis. Ésta señala la existencia de una simbiosis ancestral entre células individuales y bacterias aerobias o fotosintéticas, quienes se hospedaron dentro de las células, y que, después de millones de años de evolución, dieron pie a células cuyo interior albergaba mitocondrias o cloroplastos, respectivamente. b De los 1,386,000,000 km3 del agua total estimada en el planeta tierra, 1,338,000,000 km3 se encuentran almacenados en los océanos (>96%). Las plantas incorporan agua a la atmosfera mediante transpiración, donde el agua se evapora a través de los estomas después de haber transportado minerales desde la raíz hasta las hojas; El permafrost es un horizonte de suelo congelado, situado bajo una capa activa que se congela y descongela con las diferentes temporadas; La actividad volcánica fue una fuente primordial de agua que aún la introduce a la atmosfera a través del magma.2

El escurrimiento superficial transporta elementos como carbono, nitrógeno o fosforo. Además, del agua dulce disponible en el planeta – esencial en el funcionamiento celular de los seres vivos– menos del 1% de la que interviene en el ciclo es fácilmente utilizable por estos (Figura 1).3

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Ciclo del Carbono El ciclo del carbono podría dividirse en dos subciclos, separando los procesos biológicos y geológicos. Sin embargo, ambos convergen en un proceso global. Moléculas como el CO2 y el ácido carbónico (H2CO3) participan en esta interrelación. En el fragmento biológico, organismos autótrofos fotosintéticos capturan CO2 o H2CO3, transformándolos en compuestos orgánicos como la glucosa.c Un subproducto de este proceso es el oxígeno. Los heterótrofos utilizan los compuestos orgánicos, catabolizándolos en la respiración celular, obteniendo energía en forma de ATP.d La respiración celular aerobia utiliza el oxígeno, promoviendo un intercambio de gases entre autótrofos y heterótrofos, una alianza que atraviesa los niveles tróficos del planeta y genera una “bio-geo” relación en el ciclo del carbono. El CO2 atmosférico puede disolverse en agua o bien formarse en los océanos para después ascender a la atmosfera. En el primer caso reacciona con las moléculas de agua para formar carbonato (CO2-3). El CO2-3 reacciona con el Ca2+ liberado por el H2CO3 para formar CaCO3, componente de las conchas de organismos marinos, las cuales eventualmente se vuelven tierra caliza. La mayor reserva de carbono del planeta.4,5 El segundo proceso ocurre en sentido inverso, en él, la materia orgánica degradada y los exoesqueletos de CaCO3 se disuelven, produciendo carbono inorgánico, que aumenta de concentración en la dirección que circula el agua –el calor del sol promueve el desplazamiento de corrientes oceánicas de regiones ecuatoriales hacia los polos–, donde se encuentra con oxígeno disuelto y forman el CO2 que asciende a la atmosfera.6 El componente biológico se relaciona también con el geológico en la descomposición de organismos para la formación de carbono orgánico o combustibles fósiles, el primero se forma en la superficie, mientras que los segundos bajo condiciones anaeróbicas, después de millones de años.

c La fotosíntesis es el proceso mediante el cual la energía solar se utiliza para formar enlaces covalentes de carbono, los compuestos obtenidos (carbohidratos) almacenan en estos enlaces energía para su posterior uso. La fuente primaria de carbono para los autótrofos terrestres es el CO2. El H2CO3 por su parte lo constituye para los autótrofos acuáticos.4 d Es un mito que la respiración se lleva a cabo en los pulmones. En realidad, este proceso se desarrolla en la célula, en la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa, donde se genera ATP, molécula que provee de energía al metabolismo celular. En los pulmones sólo se genera un intercambio de gases, en el cual se elimina el CO2 y se introduce el O2.

Ciclo del Oxígeno El oxígeno puede suponer un elemento poco atractivo para la biogeoquímica, comparado con el carbono o el nitrógeno, sin embargo, es innegable su papel en los procesos del planeta. Fundamentalmente en la respiración celular y la fotosíntesis, referidos en el ciclo del carbono (Esquema 1a y 1b). Estos procesos están ligados a un balance de producción y consumo. Para darnos una idea, se estima que el contenido de oxígeno atmosférico ronda los 3.6x1019 moles. El tiempo de residencia de este puede calcularse en función del flujo de consumo. Por ejemplo, el tiempo de residencia del O2 atmosférico en función del ciclo del carbono terrestre es igual al tamaño del depósito dividido por el flujo de salida (tasa de consumo de O2) = 3.6x1019 moles/5x1015 moles año-1 = 7000 años.7

La meteorización es la descomposición de minerales a través de agentes atmosféricos como el oxígeno. En este caso, también afecta al querógeno, mezcla de compuestos orgánicos presentes en rocas sedimentadas, que por su composición (poco hidrógeno y oxígeno), se parece más al grafito que al carbono orgánico. e

Pero este balance no se reduce a procesos biológicos, en términos geoquímicos, el oxígeno puede hallarse enterrado con pirita (FeS2). Aunque es más representativo el proceso inverso, donde este se consume por meteorización de FeS2, o bien de FeO o de carbono orgánico querogénico (Esquema 1c).e

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Ciclo del Nitrógeno Igual a Zeus, el nitrógeno gobierna los cielos –el N2 es el principal componente de la atmosfera, presente ≈78%– pero en esa forma es incapaz de seducir a la mayoría de seres vivos. Por tanto, similar al olímpico, debe recurrir a transformaciones para lograrlo.f Sin embargo, a diferencia del dios del rayo, las configuraciones adquiridas por el nitrógeno no son debido a magia, sino a transformaciones químicas efectuadas por un selecto grupo de organismos. Procesos como la fijación de nitrógeno, nitrificación, desnitrificación, anammox y amonificación, son odiseas metabólicas cuyos protagonistas no son héroes mitológicos, sino pequeñas bacterias (Figura 5). La primera odisea constituye el proceso donde el N2 se vuelve disponible para muchos organismos. En este, un pequeño grupo de procariontes transforman N2 en amoníaco (NH3). Lo que requiere de mucha energía –necesaria para romper los tres enlaces que unen a los nitrógenos del N2– y de una enzima específica encontrada en los organismos que realizan esta quimera, la nitrogenasa. La nitrificación y el anammox son fenómenos opuestos en mecanismo, similares en propósito –la oxidación del NH3 –. En el primero, producido en ambientes aerobios, genera una conversión del NH3 en nitrito y nitrato (NO-2 y NO-3), y los actores principales son eucariontes. En el segundo, por el contrario, procariontes utilizan NO-2 para oxidar el NH3 y formar N2 en condiciones anóxicas. La desnitrificación es otro proceso donde se produce N2 con el propósito de integrarlo a la atmosfera. La importancia del ciclo radica en que en él se generan las moléculas necesarias para formar los aminoácidos de las proteínas o las bases nitrogenadas del ADN, constituyentes esenciales para la vida del planeta.8 Un proceso relevante en el ciclo es la producción de oxígeno debido al escape de hidrógeno al espacio. Dado que éste se encuentra mayoritariamente en la tierra como agua, su escape promueve la producción de oxígeno atmosférico. Otros procesos relevantes en el balance del oxígeno se muestran en la Tabla 1. Todos estos intercambios juegan un papel importante, no sólo en la estabilidad del ciclo, sino de las condiciones propicias para las actuales formas de vida.7

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Ciclo del Fósforo Junto al nitrógeno, el fósforo es un elemento limitante. Integrante de la estructura de ácidos nucleicos, fosfolípidos y fosfato de calcio (Ca3(PO4)2)h y encontrado en la naturaleza usualmente en forma de fosfato (PO3-4). Su tiempo de residencia en el océano antes del traslado a la tierra comprende unos 20,000-100,000 años. Y proviene de procesos como la lixiviación de rocas o las excreciones de organismos terrestres u oceánicos. También puede proceder de la ceniza volcánica y el polvo mineral, aunque, diferente de los otros ciclos, el fósforo no suele encontrarse en estado gaseoso. Debido a su naturaleza como limitador, cuando el fósforo se encuentra en grandes cantidades en un ecosistema, puede promover el crecimiento excesivo de organismos como algas. La descomposición de algas por acción de microbios requiere del uso de grandes cantidades de oxígeno, generando la disminución de éste en un hábitat. ¿Las consecuencias?, zonas muertas debido a la hipoxia de organismos acuáticos.4 Eventos similares suceden con el nitrógeno.

En la mitología griega, Zeus era capaz de transformarse en personas, cisnes o lluvias de oro con el objetivo de seducir a sus amantes. g Un nutriente limitante es aquel que está disponible en una cantidad mínima y por lo tanto ciñe el crecimiento de los organismos. h Los ácidos nucleicos forman parte de la estructura del ADN, los fosfolípidos de las membranas celulares y el Ca3(PO4)2 de los huesos. f

Aun cuando la hipótesis Gaia sea una invocación puramente intelectual y poco asequible científicamente, los ciclos biogeoquímicos parecen mostrar que la “expresión natural” del planeta se ejecuta en alta sincronía, cual danza química ancestral –acaso teleonómica–, donde los elementos que hoy forman parte de la estructura de nuestro mundo, de sus ecosistemas, y de los seres vivos, también lo hicieron millones de años atrás en dinosaurios y trilobites, en litorales y extinciones. Los procesos que se desarrollan en nuestro mundo fluyen en una danza de materia que converge, se relaciona, reacciona, y se recicla.

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= Agua total del planeta = Agua líquida dulce = Agua dulce de ríos y lagos Figura 1. Proporción de agua total en el planeta con respecto al agua dulce y al agua dulce disponible para la mayoría de seres vivos. Modificada de USGS, créditos Howard Perlman, Jack Cook y Adam Nieman. Quienes se basaron en los datos del trabajo de Igor Shiklomanov.3 https://www.usgs.gov/special-topic/water-science-school/science/how-much-water-there-earth?qt-science_center_ objects=0#qt-science_center_object

a) CH‫׾‬O + O‫׾‬

CO‫׾‬

+ H‫׾‬O

b) CO‫׾‬

+ H‫׾‬O

CH‫׾‬O + O‫׾‬

c) Cº

+ O‫׾‬

CO‫׾‬

Esquema 1. Reacciones generales de los ciclos carbono-oxígeno. a): Proceso de respiración, la formula CH2O representa compuestos orgánicos complejos, generalmente carbohidratos. Las bacterias aerobias llevan a cabo reacciones similares para la descomposición de materia orgánica. b): Fotosíntesis. Realizada por plantas, algas y cianobacterias. c): Meteorización de carbono querogénico (C0).

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Tabla 1. Balance del Oxígeno geológico Efecto (10¹؈mol/año)

Producción

Efecto (10¹؈mol/año)

De sedimentos Cº

10 +- 3

Oxidación de Cº por meteorización

7.5 +- 2.5

De sedimentos FeS‫׾‬

7.0 +- 3.6

Oxidación de FeS‫׾‬ por meteorización

7.0 +- 3.6

De sedimentos FeO

0.9 +-0.4

Oxidación de FeO por meteorización

1.0 +- 0.6

Pérdida de H‫׾‬ al espacio

1.23 cm

(ƵȺǐƊȺǞ˛ƧƊƧǞȍȁ ȺɐȯƵȲ˛ƧǞƊǶ ƮƵ R‫׾‬

0.1

(ƵȺǐƊȺǞ˛ƧƊƧǞȍȁ ȺɐȯƵȲ˛ƧǞƊǶ ƮƵ SO‫ ׾‬H‫׾‬S

0.2

(ƵȺǐƊȺǞ˛ƧƊƧǞȍȁ submarina de H‫׾‬²

1.0

H‫׾‬serpenitización

0.2

Consumo

Nota: Modificada de Kasting y Canfield.7

Bibliografía 1.- de Castro Carranza, C. En defensa de una teoría Gaia orgánica. Ecosistemas. 2013, 22, pp. 113-118. Doi.: 10.7818/ECOS.2013.22-2.17 2.- USGS. Science for a changin world. Consultado el 10 de septiembre del 2020. A comprehensive Study of the Natural Water Cycle. The USGS Water Science School. https://www.usgs.gov/special-topic/water-science-school/science/a-comprehensive-study-natural-water-cycle?qt-science_center_objects=0#Atmosphere 3.- USGS. Science for a changin world. Consultado el 10 de septiembre del 2020. Where is Earth's Water? USGS Water Science School. https://www.usgs.gov/special-topic/water-science-school/science/where-earths-water?qt-science_center_objects=0#qt-science_center_objects 4.- Bear, R.; Rintoul, D.; Snyder, B.; Smith-Caldas, Herren, M. C.; Horne, E. Chapter 5: Introduction to Ecology and Ecosystems "Biogeochemical cycles”. Principles of Biology. Open Access Textbooks. 1. 2016, pp. 37-73. https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/20-2-biogeochemical-cycles 5.- Holli Riebeek. Consultado el 13 de septiembre 2020. The Slow Carbon Cycle. NASA Earth Observatory. http://earthobservatory.nasa.gov/Features/CarbonCycle/page2.php. 6.- Álvarez-Borrego, S. Principios generales del ciclo del carbono en el océano. En: B Hernández de la Torre y G Gaxiola Castro (Eds), Carbono en ecosistemas acuáticos de México. SEMARNAT-INE-CICESE, 2007, pp. 11-28. 7.- Kasting, J. F.; Canfield, D. The Global Oxygen Cycle. Fundamentals of Geobiology, 1st Edition. © Blackwell Publishing Ltd. Published, 2012, pp. 93-104. 8.- Bernhard, A. Consultado el 18 de septiembre del 2020. The Nitrogen Cycle: Processes, Players, and Human Impact. Nature Education Knowledge 3(10):25 https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/the-nitrogen-cycle-processes-players-and-human-15644632/?fbclid=IwAR305hXqeg6eyO_5-9YUsKyrLGOxVF3dFZLZbnvt0QhAB65M_HTU7mBaKao

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Ciclos

a Vida en el Planeta se sostiene por la interacción de los seres vivos, generando ciclos interconectados de intercambio de energía y materia tanto geológicos como bioquímicos. El Carbono, el Hidrógeno, el Oxígeno, el Nitrógeno, el Azufre y el Fósforo [CHONSP] son los elementos esenciales para la vida, formando moléculas como carbohidratos, ADN y ARN, proteínas y lípidos. Estos ciclos son una colección de procesos geológicos, de acoplamiento de reacciones químicas (Red-Ox, Ácido-Base, enzimáticas) y de interacciones entre los seres vivos. Son necesarios para que los organismos asimilen elementos desde el ambiente y puedan usarlos en sus metabolismos.

Por Andrés De Sandozequi Estudiante de Doctorado en Ciencias Bioquímicas Instituto de Biotecnología, Universidad Nacional Autónoma de México, Cuernavaca, México asando@ibt.unam.mx

Biogeoquímicos. Nuestro ecosistema planetario

Atmósfera

Ciclo del Azufre Es uno de los más complejos, y participan diferentes géneros de bacterias y arqueas, llamados organismos “quimiolitótrofos”. Este tipo de metabolismo se refiere a su capacidad de obtener energía química a partir de compuestos como el sulfuro de hidrógeno. Incluso hay algunos ecosistemas (como las ventilas hidrotermales en el fondo oceánico) donde la principal fuente de energía no proviene del sol, sino del ciclo de oxidación y reducción del azufre proveniente del interior de la corteza terrestre. Se piensa que en un escenario parecido fue donde se originó la vida en el planeta.

Sulfuro [H2S]

Ciclo del Carbono 1C. Fijación de Carbono por Fotosíntesis en organismos autótrofos. (Energía solar entra) A. Plantas B. Algas C. Bacterias fotosintéticas 2C. Consumo de materia orgánica y liberación de Carbono por organismos heterótrofos. (Energía a partir del metabolismo de materia orgánica) A. Consumidores primarios: Herbívoros y saprófitos B. Consumidores secundarios: Carnívoros, carroñeros y microorganismos saprobiontes.

Dióxido de Carbono [CO2]

Vapor de Agua [H2O]

Agua líquida [H2O]

Oxígeno atmosférico [O2]

Glucosa [C6H12O6]

Sulfatos [SO4²¯]

Energía química [ATP]

Metabolismo de los seres vivos

Corteza Terrestre

Dióxido de Carbono [CO2]

Seres Vivos [CHONSP] Consumo de materia orgánica por organismos saprobiontes y descomponedores

Fijación de nitrógeno por Bacterias

Consumo de nitratos por Plantas

Consumidores primarios y secundarios

Amonio [NH3]

Nitrito [NO2]

Oxidación por Bacterias nitrificantes

Nitrógeno atmosférico [N2]

Atmósfera

Luz Solar

Fijación de Carbono por Fotosíntesis C6H12O6 + 6O2 6CO2+ 6H2O

Fostafo inorgánico [PO4²¯]

Ciclo del Fósforo A partir de la erosión hídrica de rocas ricas en fosfatos; de cenizas volcánicas, de los desechos animales y vegetales; y de la solubilización de fosfatos en los océanos, es como se incorpora el fósforo al ambiente en forma de iones de fosfato [PO4-3]. Así, puede ser asimilado por plantas y microorganismos para introducirse a las redes alimentarias. Los restos y desechos de animales y plantas, así como las sales disueltas en ríos y mares, se depositan en el fondo oceánico donde entran en el proceso geológico de formación de nuevas rocas completando el ciclo.

Atmósfera y océanos

Oxidación por Bacterias y Arqueas

Ciclo del Agua El agua es esencial para la vida y los ciclos biogeoquímicos. Sus funciones son solubilizar compuestos y participar en el metabolismo como el último aceptor de electrones en las reacciones RedOx.

Atmósfera y océanos

Corteza Terrestre

Ciclo del Hierro y otros metales

Atmósfera y océanos

Los ciclos biogeoquímicos del hierro y de otros micronutrientes (potasio, sodio, zinc, cobre, manganeso, etc.) son importantes para el sustento de la vida en el planeta. En el ciclo del hierro, existen procesos de oxidación de compuestos ferrosos por bacterias aerobias (en presencia de oxígeno), y la reducción del hierro por bacterias anaerobias (en ausencia de oxígeno) acoplados a su metabolismo. Esto permite a los intermediarios ferrosos ser asimilados a las redes alimentarias.

Ciclo del Nitrógeno El ciclo comienza con la fijación de nitrógeno atmosférico por bacterias y algas unicelulares produciendo amonio. La subsecuente oxidación y reducción de amonio a nitratos por bacterias nitrificantes, y de nitratos a nitrógeno atmosférico por bacterias desnitrificantes, respectivamente, permite a los organismos incorporar su forma preferida de compuestos nitrogenados a su metabolismo. El consumo de nitratos por plantas para formar proteínas y la alimentación de consumidores de plantas integra al nitrógeno a las redes alimentarias globales. La descomposición de materia orgánica por organismos descomponedores (saprobiontes) reducen el Nitrógeno en las moléculas orgánicas a amonio completando el ciclo.

Bibliografía:

Nitrato [NO3]

Reducción por Bacterias desnitrificantes 10

Jones, A. (1997). Environmental Biology. London: Routledge. https://doi.org/10.4324/9780203137574 -Korenaga, J. (2020). Biogeochemical Cycles (K. Dontsova, Z. Balogh‐Brunstad, & G. Le Roux, eds.). https://doi.org/10.1002/9781119413332 -Intergovernmental Panel on Climate Change. (2014). Carbon and Other Biogeochemical Cycles. In Climate Change 2013 – The Physical Science Basis: Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9781107415324.015 -Jørgensen, B. B., Findlay, A. J., & Pellerin, A. (2019). The biogeochemical sulfur cycle of marine sediments. Frontiers in Microbiology, 10(APR), 1–27. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00849 -Li, Y., Yu, S., Strong, J. et al. Are the biogeochemical cycles of carbon, nitrogen, sulfur, and phosphorus driven by the “FeIII–FeII redox wheel” in dynamic redox environments?. J Soils Sediments 12, 683–693 (2012). https://doi.org/10.1007/s11368-012-0507-z -Borch, T., Kretzschmar, R., Kappler, A., Cappellen, P. Van, Ginder-Vogel, M., Voegelin, A., & Campbell, K. (2010). Biogeochemical Redox Processes and their Impact on Contaminant Dynamics. Environmental Science & Technology, 44(1), 15–23. https://doi.org/10.1021/es9026248 www.Quimiofilia.com

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Mito Químico

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La manipulación química del tiempo atmosférico ¿Hacer que llueva o que deje de llover? Mito y realidad

El clima local y mundial siempre ha estado sujeto a mitos y conjeturas, e incluso ligado a creencias religiosas. Desde la prehistoria, y durante el dominio de las culturas y civilizaciones antiguas, los primeros hombres ligaron la presencia del sol, la lluvia, el viento y la nieve a deidades que favorecían la cosecha, y, por ende, aseguraban su alimentación.

Figura 1. Escultura de Tláloc, dios mexica de la lluvia.

Sin embargo, en la época moderna y gracias al profuso avance de la ciencia, se descubrió que en efecto es posible hacer que llueva y, en menor medida, hacer que deje de llover. Se ha determinado que es posible hacer llover en determinadas zonas a través de un proceso que se ha aplicado en distintas partes del mundo, conocido como glaciogenic cloud seeding o “siembra de nubes”, que es básicamente, la aspersión de una sustancia cristalina sólida en las nubes, con el fin de formar lluvia de forma artificial.1 La historia tras el control del tiempo atmosférico Desde finales del siglo XIX se propuso la posibilidad de inducir y controlar la lluvia usando dióxido de carbono (CO2) líquido en las nubes.2 Este se expandiría en forma de gas,

Por Sergio Alejandro Torres-Cortés Químico (B.Sc.), Estudiante de Maestría en Ciencias - Química (M.Sc.) - Departamento de Química, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia satorresc@unal.edu.co

ocasionando la nucleación rápida de gotas de agua que precipitarían en forma de granizo y lluvia. Para la década de 1930, Bergeron y Fideisen propusieron que el agua superenfriada (en estado líquido, pero por debajo de su punto de congelación), presente en las nubes, podía causar la lluvia. Vincent Schaefer e Irving Langmuir (Premio Nobel de Química en 1932), confirmaron esta teoría y comprobaron el principio del cloud seeding. Schaefer llevó a cabo experimentos que lo llevaron a explicar estos fenómenos de nucleación en su propio congelador. Al observar que no se alcanzaba una temperatura lo suficientemente baja como para producir cristales de hielo a partir de las microgotas de agua en el aire exhalado, puso dentro un cubo de CO2 sólido en el congelador, y cuando exhaló sobre él; observó cómo se formaron instantáneamente grandes cantidades de pequeños cristales de hielo.3 No fue sino hasta la década de 1970 que Vonnegut y Chessin publicaron la teoría del cloud seeding con yoduro de plata (AgI) y bromuro de plata (AgBr).4 Hoy día, se sabe que no se puede controlar el clima general, sino solo el tiempo atmosférico de un área geográfica reducida. Las propiedades del agua líquida son bastante particu-

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Figura 2. Comparación entre las estructuras cristalinas del yoduro de plata (AgI; derecha) y el agua (H2O; izquierda). Su similitud en estado sólido permite una fácil y rápida inducción de formación de cristales de hielo sobre las micropartículas de la sal de plata. Imágenes tomadas de: https://courses.lumenlearning.com /suny-mcc-organicchemistry/ chapter/intermolecular-forcesphysical-properties-of-organiccompounds/ y https://commons.wikimedia.org /wiki/File:Copper(I)-iodide-unitcell-3D-balls.png

Mito Químico

Cloud seeding y fenómenos de nucleación y cristalización: el fundamento lares cuando se comparan con otros líquidos. Su estructura molecular hace que cada molécula interactúe con las demás formando puentes de hidrógeno, que llevan al ensamblaje de una red con estructura tetraédrica local. El proceso de nucleación de hielo en agua pura, y en soluciones acuosas, depende enteramente de la termodinámica del proceso, en esencia, de la energía libre necesaria para la nucleación.5 El fenómeno fisicoquímico que produce tanto la lluvia como la nieve subyace enteramente en la capacidad de las nubes de captar partículas sobre las que se pueda dar la formación de gotas de distintos tamaños. En forma natural, las gotas de agua nuclean alrededor de partículas sólidas que ascienden a las nubes como producto de la contaminación (micropartículas de carbono provenientes del smog, partículas de polvo, arena e incluso desechos orgánicos). La capacidad de formación de las gotas depende de distintos factores termodinámicos: la capacidad de adhesión del agua en una determinada superficie, la velocidad de crecimiento de la semilla que forma la gota de agua o el cristal de hielo, y la estabilidad de las condiciones de temperatura y presión que contribuirán, bien a que la semilla crezca y se convierta en una gota de agua suficientemente grande para precipitar, o bien a que el núcleo se inestabilice y colapse al ser demasiado pequeño, de forma que le será imposible precipitarse.6 El entendimiento de este fenómeno natural puede contribuir a su manipulación para lograr incrementar o disminuir las precipitaciones en determinado espacio del planeta. Se le ha llamado “glaciogénico” al cloud seeding hecho con sustancias como yoduro o

Figura 3. Fases del proceso de cloud seeding para disminuir la lluvia:

bromuro de plata, mientras que se le conoce como “higroscópico” al que se lleva a cabo en presencia de sustancias higroscópicas y afines químicamente al agua, como el cloruro de sodio (NaCl). La siembra de nubes cumulonimbos (convectivas) de estación cálida o tropical busca aprovechar el calor latente liberado por la congelación. Esta estrategia de siembre “dinámica” asume que el calor latente adicional agrega flotabilidad, fortalece las corrientes ascendentes, asegura una mayor convergencia en los niveles bajos y, en última instancia, provoca un rápido crecimiento de las nubes correctamente seleccionadas.7 El tamaño de la semilla del que será posteriormente una gota de agua de lluvia o un cristal de hielo, depende del tamaño de la partícula sobre la cual nuclea. En condiciones de cloud seeding glaciogénico y orográfico; se buscan las zonas de las nubes donde haya microgotas de agua superenfriadas, para descargar en ellas un aerosol de yoduro de plata que lleva a la nucleación de cristales de hielo que se sigue del crecimiento de dichos cristales para la formación de nieve, o gotas de agua a temperaturas de entre -20 y -7°C. Este proceso ocurre gracias a la formación de cristales de mayor tamaño sobre aerosoles de AgI con partículas relativamente grandes. Si la aspersión se hace con partículas más pequeñas de esta sal, se formarán más núcleos de hielo, pero de menor tamaño, lo que debería disminuir las precipitaciones. Hay poca evidencia física y experimental de estos fenómenos, principalmente al que se refiere a disminuir o detener la lluvia, sin embargo, en 2018, French et al.8 publican evidencia física sobre la medición hecha con radares y sondas de física de nubes montadas en

1. Nubes de tormenta. 2. Aspersión de partículas de AgI. 3. Disminución del tamaño de los cristalesde hielo, lo que disminuye su precipitación. Imagen modificada por el autor.

aviones que muestran el inicio, el crecimiento y la precipitación en la superficie de la montaña de cristales de hielo resultantes de la siembra glaciogénica. Estos datos, por sí mismos, no abordan la cuestión de la eficacia de la siembra de nubes, sino que forman un conjunto crítico de observaciones necesarias para tales investigaciones. En determinadas áreas del mundo, se ha usado el cloud seeding para áreas cada vez más extensas, y sus efectos pueden ser de cortos a muy persistentes, como lo evidencia el estudio de Bigg sobre el cielo australiano, en el que demostraba que los efectos de este proceso de nucleación artificial, puede durar hasta meses.9 También se ha descubierto que no solo el cloud seeding convencional sirve para modificar la intensidad y frecuencia de la lluvia, sino también otras herramientas como los pulsos de láser ultracortos de alta intensidad, como lo publicaron Rohwetter et al.,10 que lograron la nucleación del agua en la atmósfera libre, a través de un plasma frío formado por los gases del aire en el cielo alemán. www.Quimiofilia.com

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Conclusiones Dada la evidencia experimental, puede decirse que hay suficientes razones para aceptar que el cloud seeding glaciogénico o higroscópico, puede ser utilizado con buenos resultados para aumentar la frecuencia de las lluvias, sin embargo, no existe suficiente certidumbre práctica para asegurar que el mismo proceso sirva para hacer que deje de llover. Hasta tanto no se disponga de datos verídicos y reproducibles, lo cual depende de un profundo estudio, tanto del clima como del tiempo atmosférico de cada zona, la afirmación “es posible hacer que deje de llover” será un mito.

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7. Muñoz, L. Sembrando el cambio en la modificación artificial del tiempo a nivel mundial https://public.wmo.int/es/resources/bulletin/sembrando-el-cambio-en-la-modificación-artificial-del-tiemp o-nivel-mundial-0 (accessed Sep 20, 2020). 8. French, J. R.; Friedrich, K.; Tessendorf, S. A.; Rauber, R. M.; Geerts, B.; Rasmussen, R. M.; Xue, L.; Kunkel, M. L.; Blestrud, D. R. Precipitation Formation from Orographic Cloud Seeding. Proc. Natl. Acad. Sci. 2018, 115 (6), 1168–1173. https://doi.org/10.1073/pnas.1716995115. 9. Bigg, E. K. Unexpected Effects of Cloud Seeding with Silver Iodide. J. Weather Modif. 1985, 17 (1). 10. Rohwetter, P.; Kasparian, J.; Stelmaszczyk, K.; Hao, Z.; Henin, S.; Lascoux, N.; Nakaema, W. M.; Petit, Y.; Queißer, M.; Salamé, R.; Salmon, E.; Wöste, L.; Wolf, J. P. Laser-Induced Water Condensation in Air. Nat. Photonics 2010, 4 (7), 451–456. https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.115.

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