¿Sabías que agosto es (fue) el mes de la calidad del agua? ¡¿NO?! Bueno, yo tampoco. ¡Oops! ¡Pero aún podemos hablar de eso cualquier día! Después de todo, este es un tema más relacionado con mi maestría del que no he estado hablando aquí por un tiempo porque, seamos sinceros, hablar de serpientes es simplemente más genial (y mi maratón de procrastinación de tesis es demasiado bueno, ejem). ¡Pero las serpientes necesitan agua! ¡Y nosotros también!
¿Qué implica la “calidad de agua” exactamente?
No creo que haya una definición exacta para esto. ¿Es la buena calidad del agua la que es buena para beber? ¿Buena para nadar? ¿Buena para hacer cerveza? ¿Buena para la vida silvestre? Básicamente es “todo eso”. Es la calidad necesaria para un propósito específico. La calidad del agua se mide a través de diferentes variables físicas, químicas y biológicas, como la temperatura, el oxígeno disuelto y la concentración de algas, por nombrar algunas. Hay MUCHOS detalles para desenvolver de esto, por lo que dejaremos muchos de ellos para otras publicaciones. Sin embargo, hay una cosa que me fascina y, en mi opinión, está muy subestimada: el color del agua. ¿De dónde viene ese color? ¿Podemos juzgar un lago por su color?
Personalmente encuentro la “ciencia básica” fascinante. Ya sabes, me refiero a esas cosas “básicas” que aprendemos de niños, como por qué el cielo es azul, por qué las galletas crecen, por qué las plantas se ven verdes. Pero lo damos por sentado cuando el color no es tan simple como pensamos, y aprovecharé esta oportunidad para intentar hacerte sentir el mismo asombro. El color involucra tantos conceptos básicos de física y química que estoy segura que aprendiste en algún momento de tu vida, y de estos conceptos “simples” (como la luz del sol y sus longitudes de onda) surgen tantas posibilidades.
Primero, recordemos lo básico del color antes de que te diga por qué todo lo que sabes está mal.
Sabemos que el cielo se ve azul (la mayoría de las veces) porque las partículas en nuestra atmósfera dispersan la luz azul. Pero, ¿qué significa esto realmente? Las ondas de alta frecuencia (longitud de onda corta), como la luz azul, viajan a través de la atmósfera con una mayor probabilidad de chocar con otras partículas. Este “choque con partículas” DISPERSA (dispersión de Rayleigh) la luz en diferentes direcciones, y dado que esta luz azul de alta frecuencia choca con más frecuencia que otras longitudes de onda, está siendo “más dispersada”, por lo que vemos el cielo azul. Es como si todas estas partículas en la atmósfera nos estuvieran bombardeando con pequeñas pelotas azules.
Por el contrario, las ondas de baja frecuencia (longitud de onda larga), como la luz roja, tienen menos posibilidades de toparse con partículas. Estas no se dispersan tanto, simplemente “atraviesan” la atmósfera. Esta es también la razón por la cual los atardeceres caen en tonalidades rojas. A medida que la Tierra gira y tu posición se aleja del sol, la luz debe viajar distancias más largas para llegar a ti. La luz azul se dispersará en la región más lejos de tí, y la mayor parte de “ondas azules” no llegarán a nuestros ojos.
Esto también explica por qué el espacio se ve negro a pesar de tener tantas estrellas brillantes alrededor: no hay atmósfera para descomponer y dispersar la luz.
Pero regresemos al agua: ¿es el agua incolora?
A diferencia de la atmósfera (“espacio” que contiene diferentes moléculas y partículas), el agua es su propia sustancia. (Sí, hay otras cosas disueltas, pero llegaremos a eso más tarde). Al contrario de lo que me dijeron cuando era niña (“el agua es incolora”), el agua pura, estrictamente H2O, es intrínsecamente de color azul pálido. Quizá ahora estás pensando que cuando llenas un vaso de agua, este se ve completamente transparente e incoloro y probablemente estoy mintiendo aquí. Pero no, confía en mí, no lo es; es solo una cuestión de volumen y la distancia que la luz tiene que recorrer para que la luz sea redirigida nuevamente a tus ojos. Cuanto mayor sea el volumen, más “azul” se verá. Intenta llenar tu bañera o lavabo; mantén en cuenta el color de fondo, por supuesto. O imagina una botella transparente que contiene un detergente de color: cuando lo viertes en tu mano el color es menos intenso que el color que ves cuando está “concentrado” en el recipiente.
Quizá recuerdes que los colores que vemos son los que se reflejan en los objetos que absorben todos los demás colores. Por ejemplo, nos enseñan que las plantas absorben longitudes de onda de la mayor parte del espectro visible, excepto el verde, por lo que nos “devuelven” esa luz verde que no pueden absorber. La absorción se realiza mediante electrones que vibran en la misma frecuencia de la luz entrante. La reflexión, que básicamente colorea todo lo que puedes ver, es causada por los electrones libres que vibran a diferentes frecuencias y devuelven esa energía luminosa. Recuerda también que los electrones están en la parte externa de un átomo, afuera de su núcleo. Entonces, en base a todo lo que sabes ahora, es posible que ya hayas concluido que las moléculas de agua absorben casi todos los colores, excepto el azul. ¡Y tienes razón! Pero no sucede de la forma en que sabemos que el color ocurre en cualquier otro lugar.
Aquí viene lo asombroso.
Las moléculas de agua absorben la luz roja de manera más rápida y eficiente que las partículas atmosféricas, reflejando también la mayor parte del espectro azul. Sin embargo, ¡no son sus electrones los que la absorben!
Las moléculas de agua vibran constantemente (puedes imaginarlo como si el átomo de oxígeno solo tratara de mantener los átomos de hidrógeno en su lugar mientras intentan escapar, lo que crea esas vibraciones). Además de estos, los fotones (energía de la luz) absorbidos también promueven las vibraciones de las moléculas de agua a nivel nuclear. Todas las vibraciones involucradas aquí ocurren a bajas frecuencias – por eso el que absorban el “espectro rojo”. Las ondas azules se reflejarán o atravesarán las moléculas de agua. Cualquier cosa que pase también será dispersada por otras moléculas y partículas en el agua (¡dispersión de Rayleigh una vez más!).
Ahora puedes estar un poco decepcionado y pensar que esto no está realmente bajo la definición de “asombroso”. Pero esta es la ÚNICA molécula (que conocemos) en la que el color está dado por las interacciones NUCLEARES en lugar de los electrones. Básicamente, toda la química que aprendí a lo largo de mi vida se hizo añicos cuando me enteré de esto y me encanta cuando eso sucede. ¿A ti no?
Okay, esto fue sólo un pequeño dato curioso físico-químico…¿qué tiene que ver con la calidad del agua?
Probablemente ya has visto diferentes lagos y ríos y notado cómo no todos se ven iguales. Por supuesto, algunas cosas son bastante obvias, como enormes parches de algas que hacen que un lago se vea verde. Pero hay otros tonos de azul y verde y otros colores en los lagos y ríos de todo el mundo. No todos se deben a las algas, y no todos los colores significan que hay algo malo.
Ahora entiendes el verdadero color del agua. Lo que solemos ver es el color aparente del agua. Hablemos de lo obvio primero. Ya hemos mencionado que las algas reflejan la luz verde y mientras más algas habiten un lago en un momento dado, más verde nos parecerá. (Hay mucho más en esto en cuanto a cómo se desarrollan las floraciones de algas y cuándo pueden considerarse “normales” o dañinas, pero lo dejaré para otra publicación). Las algas, así como otros microorganismos, también tienen pigmentos diferentes además de la clorofila verde y algunas especies pueden hacer que los lagos parezcan rosados u otros colores de lago “inusuales”.
Pero no son sólo los organismos vivos los que le dan color a nuestras aguas
En Guatemala, tenemos una región alrededor de la parte central del país donde la geología es muy kárstica. Donde vivo actualmente (Austria), la mayor parte del país también es karst. Muchos cuerpos de agua en estos lugares se ven azul turquesa claro. El karst se forma a partir de material de roca soluble como la piedra caliza o la dolomita, las cuales contienen mucho calcio. Los átomos de calcio vibran a una frecuencia similar a las longitudes de onda naranja; absorben longitudes de onda anaranjadas y reflejan el complementario: azul turquesa claro.
El color también puede cambiar periódicamente. Por ejemplo, aquí en primavera, cuando los glaciares comienzan a derretirse, el agua que fluye hacia abajo erosiona esta piedra caliza, transportando así más agua con pequeñas partículas de roca fina rica en calcio que contribuyen a este color turquesa que se ve más fuerte en primavera e inicios de verano.
La cuenca del Amazonas tiene diferentes tipos de ríos. Algunos de los ríos en las partes más altas de la cuenca son de aguas azules muy claras (agua casi pura con poco material disuelto en ella). Sin embargo, normalmente encontrarás imágenes del río Amazonas en una parte más baja de la cuenca donde se ve de color amarillo-marrón. Aquí abajo, las rocas sedimentarias son ricas en hierro, sodio, sílice, entre otros elementos que absorben la luz en las longitudes de onda más pequeñas (región azul-verde) y reflejan la luz del área amarilla-roja (piense en cómo el hierro hace que nuestra sangre también sea roja, por ejemplo). El río también transporta una gran cantidad de material orgánico de la vegetación circundante y otros compuestos que pueden hacer que se vea diferente de una sección a otra. Debido a esto, el color de los ríos también varía con las estaciones. Ya sea que vivas donde hay cuatro estaciones o en donde tenemos estaciones lluviosas/secas, la lluvia normalmente aumentará el flujo de agua y la erosión de las riberas de los ríos que transportan todos estos compuestos que contribuyen al color del agua.
Pero hay otros tipos de ríos y lagos marrones que no tienen nada que ver con los sedimentos transportados. Las plantas tienen algunos compuestos orgánicos de color amarillo-marrón llamados taninos, algunos de los cuales son muy solubles en agua. Al contrario de las partículas de sedimento que reflejan la luz, estos taninos se disuelven en agua y podemos ver a través de él incluso si el color ahora es menos azul. Puedes pensar en esta forma de “aguas marrones” de la misma manera que tu agua hirviendo cambia de color con el té. Todavía son procesos de absorción y reflexión, pero diferentes compuestos y tamaños de partículas.
Regresemos a los verdes
El verde no siempre es causado por las algas. En los lagos volcánicos que están influenciados por fumarolas subacuáticas en los fondos del lago (como el lago Aso (Japón) o el lago Quilotoa (Ecuador)), el componente turquesa generalmente está dado por azufre y las partes verdes por iones de hierro disuelto. ¿Hierro? ¿Verde? ¡Pero antes había dicho que el hierro refleja rojo como nuestra sangre! Bueno, diferentes estados de los átomos, como con mayor energía a temperaturas más altas, vibrarán a una frecuencia diferente, absorbiendo y reflejando diferentes colores. Loco, ¿verdad? Los colores son fascinantes.
Mantén en mente que el color que ves también es el resultado de tu ángulo de observación y los reflejos especulares (espejos) sobre el agua. Al pararse más lejos de un lago, es posible que veas el cielo reflejado o los árboles circundantes, a menos que el agua tenga una superficie más rugosa (por ejemplo, por las olas).
No te sorprenderá ahora que el cambio climático también afectará el color de los cuerpos de agua. Con el aumento de la temperatura vienen los cambios en las tasas de reacciones químicas y actividad biológica. Los electrones vibrarán a diferentes frecuencias, absorbiendo y reflejando diferentes colores.
Ahora puedes mirar un río o lago y, según el color, hacer suposiciones sobre su geología o las actividades en la cuenca. Pero, ¿qué tan preciso puede ser? ¿Puede el color cumpir una función importante para los científicos y las evaluaciones de la calidad del agua?
La mala calidad del agua puede suponer un riesgo para la salud de las personas y los ecosistemas, y es por eso que la investigación científica y el monitoreo son importantes para comprender el estado “original” de la calidad de un ecosistema y cómo cambia a través del tiempo, ya sea por el desarrollo natural de los lagos o por diferentes presiones antropogénicas. Algunas cosas pueden ser difíciles de medir o monitorear, podrían ser demasiado caras o, simplemente, para algunos países, la falta general de recursos lo hace imposible. Una posible solución es monitorear el color del agua a través de satélites (detección remota), que ya se está haciendo en algunos lagos y océanos, pero aún necesitamos entender más sobre las interacciones en nuestros ecosistemas para tener una mejor interpretación de este colorido desorden.
#DatoCurioso:
Un átomo de hidrógeno tiene un protón en su núcleo. El deuterio, una variante de un átomo de hidrógeno (isótopo), tiene un protón y un neutrón en su núcleo. La molécula de D2O, llamada “agua pesada”, es, como ya habrás adivinado, más pesada debido a este neutrón adicional. Este peso extra hace que sea más difícil para la molécula sacudirlo. No impide que la molécula vibre (recuerda las vibraciones de H2O que causan el color), pero hace las vibraciones más lentas, por lo que vibra a una frecuencia aún más baja que cae dentro del espectro infrarrojo y deja pasar todo el espectro visible. Esta agua pesada es realmente incolora (al menos para nosotros los humanos).
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REFERENCES
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- Aguilera, E., Chiodini, G., Cioni, R., Guidi, M., Marini, L. & Raco, B. 2000. Water Chemistry of Lake Quilotoa (Ecuador) and assessment of Natural Hazards. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 97:271-285
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- Ohsawa, S., Salto, T., Yoshikawa, S., Mawatari, H., Yamada, M., Amita, K., Takamatsu, N., Sudo, Y. & Kagiyama, T. 2010. Color Change of Lake Water at the Active Crater Lake of Aso Volcano, Yudamari, Japan: is it in Response to Change in Water Quality Induced by Volcanic Activity? Limnology 11(2010):207-215
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- Quesada, C.A., et al. 2011. Soils of Amazonia with particular reference to the RAINFOR sites. Biogeosciences. 8:1415-1440