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Explicando el efecto Mpemba.

Artículo retocado el 22/ene/2019 a las 19:30 Hora Oficial Argentina.
El agua es un compuesto que sorprende por sus propiedades.
Cuando congela, a diferencia de otras substancias, aumenta su volumen. Ante la misma masa o cantidad de agua, esto resulta en una disminución de la densidad. De esta manera, y por el principio de Arquímedes, el hielo de agua flota en agua líquida.
En los lugares donde el hielo siente mayor presión, el punto de congelamiento disminuye (necesita más frío para congelar) y se licua nuevamente. Si ponemos una aguja sobre un cubo de hielo e introducimos todo en el congelador, luego de un tiempo notaremos que la aguja se hundió en el hielo quedando incrustada en él. El peso de la aguja aumentó la presión donde estaba apoyada; en ese lugar bajó el punto de congelamiento y el frío no alcanzó para mantener el hielo. Así, en esa parte del hielo, el agua permitió que la aguja se hunda. Luego que ésta pasó por ese lugar, las condiciones volvieron a ser las anteriores y el frío volvió a congelar ese agua.
Esto hace que en lagos y lagunas sólo se congele la superficie. Debajo de ella, el agua se mantiene líquida por la presión que hace que deba hacer menor temperatura para que se congele. Gracias a esto, puede haber vida bajo la superficie helada.

Pero hay más.
Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes hallaron otro comportamiento curioso del agua. En los años ‘60, un estudiante en una escuela de Tanzania, en la clase de cocina observa esto mismo y nació el efecto (o paradoja) Mpemba, llamado así en su honor (Erasto B. Mpemba) por notar que el helado caliente congelaba antes que el frío (https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Mpemba). Eso se debe al comportamiento del agua en él.
Luego: el agua caliente, bajo ciertas condiciones, congela antes que la fría.

Recordemos que el calentamiento implica acumulación de energía y el enfriamiento implica lo contrario.

Una idea proponía que el envase caliente, era más eficiente entregando energía el refrigerador.
Otra idea proponía que el agua caliente evaporaba con facilidad, lo que absorbía calor o sea energía (proceso endotérmico), y eso favorecía en enfriamiento.
Pero ahora hay otra explicación, más relacionada con la intimidad de la molécula de agua.
Para entender ésto, recordemos que el agua está formada por moléculas de dos átomos de Hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O), o sea H2O.

Molécula de agua. Oxígeno - rojo, el hidrógeno - blanco Foto de archivo - 35894175

Ilustración de molécula de agua crédito de D. Guzhanin

Cuando el agua disminuye su temperatura, sus moléculas tienden a agruparse llegando incluso a estar en contacto. En ese proceso, la repulsión natural “estira” los enlaces O-H haciendo que se almacene energía como cuando se estira un resorte. Esta absorción de energía atenta contra el enfriamiento.
El agua caliente tiene sus moléculas más separadas por lo que los enlaces están más “relajados” y retornan energía, como un resorte que retoma su longitud normal, y eso favorece el enfriamiento.

Posiblemente este efecto se deba a una de estas ideas o a la combinación de ellas.

Referencia:

Fuente:

  • O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox, Xi Zhang et al., (Submitted on 24 Oct 2013 (v1), last revised 10 Nov 2013 (this version, v2).
    https://arxiv.org/abs/1310.6514

pdp.

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Somos para-agua y orto-agua.

El agua es más antigua que nuestro Planeta ya que estaba presente en la nube protoplanetaria de la que nació el Sistema Solar.

En la Tierra, el agua tuvo un origen aún incierto ya que hay diferentes “sabores” según la cantidad de Deuterio que contenga. De esta manera, nuestra agua se parece más a la que hay en algunos asteroides que a la que hay en cometas. Pero resulta que se detectó agua a grandes profundidades bajo la corteza Terrestre. Así habría agua “autóctona”. De esta manera habría que ver cuál es la más abundante para determinar el origen del agua en Casa. Es probable que haya agua propia de nuestro Planeta y además, la donada por cuerpos caídos en la juventud de la Tierra; así, tendríamos distintas cepas (pdp, 31/ene./2017, La Tierra podría estar generando su propia agua, https://paolera.wordpress.com/2017/01/31/la-tierra-podria-estar-generando-agua-propia/).

Imagen crédito: Shutterstock

Pero resulta que hay dos clases de agua.
La molécula de agua está formada por un átomo de Oxígeno y dos de Hidrógeno (H2O). Pero resulta que los átomos tienen lo que se llama spin. Una cantidad cuántica relacionada con su rotación. Cuando los átomos de Hidrógeno tienen el mismo spin, tenemos una molécula de agua de tipo para-agua. Cuando son diferentes, se tiene una molécula de orto-agua. Estas dos clases de agua, existen incluso dentro de nuestro organismo.
Sometidas a experimentos, se encontró que estas clases de moléculas de agua tienen distintas características físico-químicas que hacen que reaccionen diferente ante distintas substancias químicas. Es la primera vez que se observa cómo un concepto cuántico abstracto como el spin de un átomo influye en reacciones que ocurren a nuestro alrededor.

Referencia:

Bolsillos de agua en las profundidades de la Tierra.

Los diamantes son los mensajeros de las profundidades Terrestres.
Los geólogos los estudian para saber las condiciones imperantes bajo nosotros, pasadas y presentes. Los diamantes se forman a cientos de Kms. de profundidad y suelen tener incrustaciones provenientes del ambiente donde se formaron.
De una mina Sudafricana se extrajo un diamante con incrustaciones de un mineral abundante sólo a 700 Kms. de profundidad (pdp, 9/mar./2018, Extraen un diamante con un mineral poco usual, https://paolera.wordpress.com/2018/03/09/extraen-un-diamante-con-un-mineral-poco-usual/).

Se hallaron evidencias de hielo VII dentro de un diamante. Es uno de los varios tipos de cristales de hielo que se conocen (https://es.wikipedia.org/wiki/Hielo_VII).

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Dispersión de rayos X por agua dentro de un diamante – crédito: TSCHAUNER ET AL./SCIENCE(2018)

Esto demuestra la existencia de agua en las profundidades del manto Terrestre. Este agua no se encuentra en minerales hidratados, sino en estado líquido encerrada en “bolsillos”entre los 600 y 800 Kms. de profundidad donde se forman estos diamantes.
Nada se sabe aún sobre el tamaño de estos bolsillos de agua.

La presencia de agua a esas profundidades, puede afectar cómo y dónde se origina el calor en el manto. Por ejemplo, el agua podría transportar elementos radioactivos de una parte a otra. Así, el calor producido por la desintegración de esos elementos, se podría generar en lugares de donde puede escapar con mayor facilidad que de otras regiones.

Referencia:

Fuente:

pdp.

La Tierra podría estar generando agua propia.

El origen del agua en la Tierra es un misterio que se va aclarando.
Pero es cierto que el agua en nuestro Planeta es más antigua que Él, ya que estaba presente en la nube de materia de la cual se formó el Sistema Solar.
Las primeras teorías decían que el agua en la Tierra debió provenir del espacio, ya que se debería haber evaporado al exterior en los infernales orígenes de nuestro Planeta. Así, este vital líquido debió venir de cometas o asteroides que cayeron en Casa.
Pero resulta que hay diferentes “sabores” de agua según la cantidad de deuterio que contenga. Analizando este elemento en los hielos de agua en cometas y asteroides, se encontró que el agua en la Tierra es más parecida a la que se encuentra en los asteroides (pdp, 10/dic./2014, Rosetta complica el origen del agua en la Tierra, https://paolera.wordpress.com/2014/12/10/rosetta-complica-el-origen-del-agua-en-la-tierra/). De ser así, debieron caer gran cantidad asteroides ya que no son muy ricos en agua. Incluso, parece que trajeron agua antes de lo pensado, en la épocas tempranas de la formación de la Tierra (M. Fischer et al., Nature 541, 525–527, Ruthenium isotopic evidence for an inner Solar System origin of the late veneer, http://www.nature.com/nature/journal/v541/n7638/full/nature21045.html).

Luego se encontró evidencias de agua a 1000 Kms. de profundidad, eso es casi la tercera parte de la distancia al centro de la Tierra (A. Coghlan, New Scientist, 23/nov./2016, Deepest water found 1000km down, a third of way to Earth’s core, https://www.newscientist.com/article/mg23231014-700-deepest-water-found-1000km-down-a-third-of-way-to-earths-core/).
O el agua tiene un ciclo más profundo de lo pensado o habría agua autóctona de nuestro Planeta.

Parece que la Tierra es capaz de generar su propia agua (A. Coghlan, New Scientist, 27 January 2017, Planet Earth makes its own water from scratch deep in the mantle, https://www.newscientist.com/article/2119475-planet-earth-makes-its-own-water-from-scratch-deep-in-the-mantle/).
A grandes profundidades, el agua debe soportar grandes temperaturas y presiones, incluso se supone que puede ser causante de los terremotos a cientos de kilómetros de profundidad cuyo origen aún no se explica.
A esas profundidades, en el manto terrestre, las condiciones pueden hacer que el hidrógeno líquido reaccione con el silicio formando agua e hidruro de silicio.

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Imagen © 2016 Elsevier B.V.

Luego, ese agua puede llegar a la superficie por varios caminos; por ejemplo, en forma de vapor en erupciones volcánicas para luego condensarse en la atmósfera y precipitar.
Si esta teoría es correcta, actualmente se podría estar formando agua en el interior terrestre y tal vez en otros cuerpos del Sistema Solar.

Ahora se agrega este proceso como origen del agua en la Tierra. Habrá que ver si éste desplaza al del agua traída desde el espacio exterior. Tal vez se dieron ambos procesos, en cuyo caso habrá que evaluar cuál de ellos colaboró más o fue más eficiente en hacer que la Tierra sea un planeta rico en agua.

Fuente:

Gran depósito de hielos de agua en Utopia Planitie, Marte.

En la región marciana Utopia Planitia se encontró una gran reserva de hielos de agua.
Ya se sabía que en Marte había agua que sobrevivió a la evaporación y escape al espacio. No sólo en los polos, sino también bajo el suelo.

En este caso, a medianas latitudes del Hemisferio Norte marciano, se detectó una gran región de hielos de agua mezclados con polvo y rocas. Según la detección hecha por radar instalado en el Orbitador de Reconocimiento Marciano, la reserva en muy grande, tanto como el estado de Nuevo México.
Está bajo una capa de suelo de unos 10 metros de espesor y su grosor o profundidad varía entre 80 a 170 metros.

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Imagen crédito de NASA/JPL-Caltech/Univ. of Rome/ASI/PSI.

En la imagen se muestra la región de la reserva subterránea con líneas oblicuas.
Las marcas púrpuras de diferentes intensidades señalan dónde las reservas son más abundantes.
Se estima que se formó en épocas cuando el eje de rotación marciano tenía otra inclinación.
El eje de Marte tiene una inclinación de unos 25º. Ese eje muestra un gran bamboleo, llagando a duplicar esa inclinación cada 120 mil años. En esas épocas, los polos estaban cerca de lo que hoy es el Ecuador marciano. Los hielos de polares se derriten, evaporan y se condensan y depositan en regiones como la Utopia Planitia, es esas épocas más polares que hoy. Allí se mezclan con polvo y rocas y terminan bajo el suelo.

Referencia:

Fuente:

pdp.

¿Agua en el origen del sistema Tierra-Luna?

En lo que se refiere a la formación de la Luna, hay dos tendencias.
Una sugiere que se formó del choque entre la Tierra y un objeto del tamaño de Marte.
Otra, por el contrario, sugiere que se formó en un proceso paralelo al de la Tierra.
Ambas se basan en las coincidencias y discrepancias geoquímicas halladas entre las rocas lunares y terrestres.
Pero hay otro aspecto a tener en cuenta: el agua en la Tierra y en la Luna. La pregunta es: ¿el agua estuvo presente desde su formación o vino de asteroides y cometas que la depositaron en su impacto?

Por un lado, se halló un diamante que habría sido expulsado por un volcán hace unos 90 millones de años. Muestra una impureza debido a minerales que quedaron atrapados en su formación. Esas impurezas están relacionadas con la existencia de agua. El análisis del diamante, sugiere que se formó en las profundidades del Planeta, a unos 1000 Kms. de la superficie. Luego, habría agua a dos tercios del centro de la Tierra.

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Las impurezas en el diamante expulsado por un volcán – crédito: M. Palot.

Por este lado, puede ser que el ciclo del agua se más amplio de lo pensado; o este agua atrapada allá abajo da testimonio de la que tuvo que haber en los orígenes de nuestro Planeta.

Por otro lado, el estudio de las rocas lunares indican una composición y estructura que implican la existencia de agua en la Luna desde su origen. Los estudios realizados, consistieron en recrear las condiciones existentes en el colapso de material que dio origen a la Luna, para lo que se aprovechó los sistemas dedicados a la fabricación de diamantes sintéticos. La extrapolación de los resultados de laboratorio a la Luna, implican la existencia de una capa de silicatos y otros materiales, todo relacionado con la presencia de agua, lo que es consistente con las lecturas hechas en la Luna por los satélites.

Luego, hay posibles evidencias de agua en los orígenes de la Tierra y la Luna. Es probable que la existente en la Luna haya provenido de la Tierra, luego del impacto que le dio origen; como también pudo estar presente en la nube de donde ambos cuerpos se formaron. Es probable que parte de ese agua se haya evaporado con las elevadas temperaturas de aquellas épocas quedando atrapada otro tanto en las capas interiores. En el caso de la Tierra, también es probable que parte de ese vapor haya quedado en la atmósfera, para luego condensar y volver a caer. Después, pudo haber colaboración de cuerpos con hielos que al caer acá y allá, agregaron más agua a la que ya había.

Referencias:

Fuentes:

pdp.

Ceres: Un híbrido con sal inglesa.

Se despejan las dudas sobre el origen de las manchas brillantes en Ceres.

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Imagen en falso color del cráter Occator en Ceres con depósitos de sales brillantes en su interior. Crédito de NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/IDA.

Sobre un suelo de color “asfalto” rico en arcillas y carbonatos, hay manchas de gran poder de reflexión, en su mayoría dentro de cráteres de impacto.

Todo indica que se trata de sales hidratadas. Estas sales serían de magnesio hidratadas, conocida como sal Epsom o sal inglesa [1].
El agua necesaria para esta hidratación, habría salido de hielos de agua bajo el suelo de Ceres, los que quedaron expuestos en fracturas producidas en él por el golpe en la formación del cráter de impacto. Esto es consistente con la existencia de una tenue bruma de agua y polvo que aparece en Ceres en las regiones donde el Sol da de pleno (es de día). Por ejemplo, las brumas en el interior del cráter Occator, donde se aprecia la mayor de estas manchas brillantes. Ya se sabía que había emanaciones de agua en Ceres. Estas liberaciones de agua y polvo, recuerdan a las eyecciones que se dan en los cometas, pero a mucha menor escala.
Luego, Ceres sería un híbrido (un término medio) entre un objeto rocoso (asteroide) y uno de tipo cometario. Esto último, va de la mano con el supuesto origen de Ceres como una luna de un extinto planeta bautizado como Yurus, ambos formados en la región de hielos del Sistema Solar y que luego migraron por causas gravitatorias desde aquellas regiones hasta la inmediaciones de Júpiter. Recordemos que hay amoníaco en Ceres. El amoníaco no es común de los objetos del cinturón de asteroides donde reside Ceres, sino de las regiones de los cuerpos helados como Plutón. Así, Ceres colectó fragmentos de aquellos cuerpos por algún mecanismo o se originó más hallá de Neptuno y viajó hasta su actual posición a medida que evolucionaba el entonces joven Sistema Solar.

 

Referencias:

  1. https://es.wikipedia.org/wiki/Sulfato_de_magnesio

Fuentes:

pdp.