El papel de los puentes de hidrógeno en el transporte de protones en el agua

Dibujo20130819 Contact ion pair formed by water wire linking the hydronium and hydroxide ions in liquid water

Hace más de dos siglos que Theodor von Grotthuss propuso un mecanismo para entender el transporte de iones en el agua: su transferencia entre un catión hidronio H3O+ y un anión hidróxido OH a través de una serie de saltos entre puentes de hidrógeno en el agua (los enlaces intermoleculares entre los hidrógenos y los oxígenos de moléculas H2O diferentes), como si los protones se movieran por “cables” de agua (proton wires). Se publica en PNAS un artículo que aclara los detalles técnicos de este proceso mostrando la importancia de la topología de la red tridimensional de puentes de hidrógeno en el transporte y la formación de “cables” en forma de anillo. Hassanali et al. han usado simulaciones por ordenador de dinámica molecular ab initio (AIMD por Ab Initio Molecular Dynamics) que muestran que el transporte ocurre a ráfagas, con periodos de reposo en los que no hay transferencia de protones y estos están localizados (parecen atrapados); en estos periodos de reposo, cuya duración es mayor de la que se pensaba, se observan aniones hidróxido “hipercoordinados” cuyo oxígeno tiene 4 puentes de hidrógeno simultáneos en una configuración casi plana; se cree que el transporte se activa cuando estos hidróxidos fluctúan y su número de puentes de hidrógeno se reduce de 4 a 3. El proceso presenta múltiples escalas de tiempo y es más complicado de lo que se pensaba. Por supuesto, ahora es el turno de los físicoquímicos experimentales que tendrán que confirmar estos detalles por observación directa. Nos lo han contado Edelsys Codorniu-Hernández, Peter G. Kusalik, “Probing the mechanisms of proton transfer in liquid water,” PNAS, AOP Aug 8, 2013, que se hacen eco del artículo técnico de Ali Hassanalia et al., “Proton transfer through the water gossamer,” PNAS, AOP Jul 18, 2013.

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Messenger (NASA) encuentra agua helada en los polos de Mercurio


Hoy se publican en Science Express tres artículos que muestran una evidencia muy firme para la existencia de agua en forma de hielo en los cráteres que se encuentran en sombra de forma permanente en los polos del planeta Mercurio; se cree que el origen de esta agua líquida está en los impactos de cometas y asteroides ricos en elementos volátiles. Estos tres resultados han sido obtenidos gracias al satélite Messenger de la NASA. El espectrómetro de neutrones de Messenger ha medido los neutrones de alta energía que se producen bajo la superficie del planeta a partir de los rayos cósmicos que inciden sobre el planeta; se ha observado un déficit de neutrones en los cráteres en sombra y se cree que es debido a su absorción por agua helada. Las medidas por radar indican zonas brillantes asociadas a la presencia de hidrógeno, lo que apunta a que el hielo está recubierto de una fina capa de hidrógeno. Las medidas topográficas indican que la distribución de hielo es estable, lo que indicaría que el hielo se acumula en las regiones permanentemente en sombra. Más información en la página web de Messenger. Los tres artículos técnicos son David J. Lawrence et al., “Evidence for Water Ice Near Mercury’s North Pole from MESSENGER Neutron Spectrometer Measurements,” Science Express, Nov. 29, 2012 [DOI], Gregory A. Neumann et al., “Bright and Dark Polar Deposits on Mercury: Evidence for Surface Volatiles,” Science Express, Nov. 29, 2012 [DOI], y David A. Paige et al., “Thermal Stability of Volatiles in the North Polar Region of Mercury,” Science Express, Nov. 29, 2012 [DOI].

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André Geim, Premio Nobel de Física 2010, demuestra en Science como destilar vodka utilizando óxido de grafeno

Sir André Geim, Premio Nobel de Física 2010 por el grafeno y Premio IgNobel de Física por hacer levitar ranas, y sus colegas de la Universidad de Manchester han descubierto que el óxido de grafeno también sirve para destilar alcohol, lo han probado con vodka y lo han publicado en Science. Sellando una botella de vodka con una membrana de óxido de grafeno, el agua que se evapora de la botella puede atravesar la membrana como si no estuviera (el óxido de grafeno es “transparente” al agua, pero el grafeno es impermeable a todos los líquidos y gases, incluso a átomos tan pequeños como el helio), pero las demás moléculas del vodka no pueden hacerlo. El óxido de grafeno se obtiene recubriendo una de las caras del grafeno con grupos hidroxilos OH- (el filtro utilizado está formado por múltiples caras de este óxido de grafeno); la figura de arriba ilustra el paso de las moléculas de agua a través de este filtro, como el alcohol no puede hacer lo mismo, la concentración de alcohol en la botella de vodka crece. No sabemos si Geim ha probado el vodka resultante, pero yo me pregunto por qué han usado vodka en lugar de whisky si no era para disfrutarlo. Me enteré de lo del vodka gracias a Daniel Cochlin, “Supermaterial goes superpermeable,” EurekAlert!, 26 Jan. 2012, y la llamada de antención en Twitter de @RSEF_ESP “Comentaste el paper de Nature sobre la interacción del grafeno con el agua. Mira este de ayer en Science” [link al tuit]. El artículo técnico es R. R. Nair, H. A. Wu, P. N. Jayaram, I. V. Grigorieva, A. K. Geim1, “Unimpeded Permeation of Water Through Helium-Leak–Tight Graphene-Based Membranes,” Science 335: 442-444, 27 January 2012 [gratis en ArXiv].

Los materiales porosos cuyos poros son nanométricos tienen un enorme número de aplicaciones industriales, sobre todo en técnicos de separación y filtrado de sustancias con moléculas pequeñas. Geim y su grupo han observado que una lámina de óxido de grafeno es impermeable a todo tipo de líquidos, vapores y gases, salvo para el agua (el H2O penetra a través de las membranas de óxido de grafeno diez mil millones de veces más rápido que el helio). El óxido de grafeno tiene propiedades mecánicas similares al grafeno y esta aplicación industrial parece muy prometedora. El artículo de Geim et al. describe en detalle cómo fabrican el óxido de grafeno y presenta simulaciones por ordenadorde la dinámica molecular del agua a través de los poros del grafeno (en estas simulaciones la clave son la fuerzas de Van der Waals). El grupo de Geim está estudiando últimamente los cambios que sufre el grafeno cuando se le adhieren moléculas simples de forma esporádica; para mí es increíble la desbordante imaginación que demuestran Geim y sus colegas.

El grosor de la superficie de una gota de agua es igual al diámetro de una sola molécula de agua

Parece imposible. Un nuevo estudio publicado en Nature, que combina medidas espectroscópicas y simulaciones por ordenador, ha revelado que la capa superficial de una gota de agua, la interfase entre el agua y el aire, tiene como grosor el diámetro de una sola molécula de agua. Solo una molécula de agua. Todos los homeópatas deberían leer este nuevo estudio, pues también demuestra que la “memoria del agua” es imposible. Confieso que yo imaginaba que el grosor de la superficie de una gota de agua tendría varias moléculas, aunque no muchas. Nos lo ha contado Pavel Jungwirth, “Physical chemistry: Water’s wafer-thin surface,” Nature 474: 168–169, 09 June 2011, haciéndose eco del artículo técnico de Igor V. Stiopkin et al., “Hydrogen bonding at the water surface revealed by isotopic dilution spectroscopy,” Nature 474: 192–195, 09 June 2011.

Las dos ideas erróneas más populares sobre el agua líquida, según Jungwirth, son la “memoria del agua” y la “poliagua.” El nuevo estudio es una nueva demostración de que  ambas ideas son erróneas. La “memoria del agua” se refiere a la posibilidad que tendría el agua de “recordar” durante largos períodos de tiempo la forma impuesta por moléculas de soluto. Jacques Benveniste (1935–2004) publicó en 1988 en Nature esta idea que está considerada la “piedra filosofal” de la homeopatía moderna. La actividad biológica de un compuesto en solución acuosa se mantendría tras repetidas diluciones gracias a la “memoria del agua.” Este efecto no es reproducible y la ciencia no lo acepta, aunque este hecho no ha afectado al éxito comercial de la homeopatía, una pseudociencia en toda regla. El concepto de “poliagua” está relacionado con la correlación (orden) a largo alcance en el agua, a través de cientos de capas moleculares. La “poliagua” es un líquido viscoso que se produciría cuando el agua se hace pasar múltiples veces a través de tubos capilares. La ciencia ha demostrado que este fenómeno no existe ya que las correlaciones de largo alcance en el agua son de probabilidad nula. El nuevo artículo de Stipokin et al. es una nueva demostración de la imposibilidad de ambos efectos.

Stipokin et al. han estudiado con detalle la estructura la interfase acuosa por excelencia, entre el agua y el aire, gracias a la combinación de dos técnicas, la primera experimental y la segunda teórica. La experimental es la espectroscopia vibracional selectiva de superficies, que ha permitido estudiar los enlaces hidrógeno-oxígeno en las moléculas de agua que se intercambian entre el líquido y el aire. Por razones técnicas en realidad estudiaron los enlaces deuterio-oxígeno en moléculas de agua “marcadas” en las que se substituyó el hidrógeno por deuterio. Este tipo de enalces solo existen en la superficie del agua y son como “antenas” sensibles a las interacciones entre las moléculas de agua de la superficie y las moléculas de agua sumergidas en el interior del líquido. La segunda técnica utilizada por Stipokin et al. han sido las simulaciones por ordenador de las vibraciones de las moléculas de agua cercanas a la interfase líquido-aire.

Los resultados de Stiopkin et al. demuestran tanto de forma teórica como experimental que la superficie no tiene un impacto de largo alcance sobre el agua y que la fuerza de las interacciones entre las moléculas superficiales de agua y las del interior son comparables a las existentes entre las moléculas del volumen interior. Esto significa que solo una capa superficial con un grosor de 0,3 nanómetros muestra moléculas de agua que se comportan de forma diferente al resto de las moléculas del interior del líquido. Una capa de agua con el grosor de una sola molécula de agua. Sin lugar a dudas una visión fascinante sobre las propiedades de la superficie de una gota de agua líquida.

Por qué el “pan de pueblo” tradicional no se pone duro en una semana y el pan poco o mal cocido se pone duro en un par de días

El pan se vende al peso. Los panaderos modernos cuecen poco el pan para que quede un exceso de agua y lograr el mismo peso con una menor cantidad de harina. Así se ahorran dinero y el consumidor paga gato por liebre. El pan expuesto al aire no se pone duro porque se seca, sino porque se humedece con el vapor de agua del ambiente, aunque éste sea muy escaso. Este exceso de agua produce demasiados enlaces de hidrógeno entre las largas cadenas de celulosa de la harina, lo que crea excesiva rigidez en el pan (se pone duro pronto). Al recalentarlo se rompen muchos de esos enlaces y el pan recupera su aspecto de pan recién hecho. ¿Por qué para retrasar su endurecimiento se guarda el pan recién hecho en el frigorífico, o cubierto con un trapo o plástico, o se guarda en una caja herméticamente cerrada? Al poner en el frigorífico un pan mal cocido retiene su exceso de agua, pero prácticamente no forma más enlaces de hidrógeno. Tapándolo con un trapo o un plástico lo aislamos de la humedad ambiente y así permanece casi como recién hecho. Nos lo cuenta Manuel García Velarde, uno de los grandes divulgadores de la ciencia en España, en su artículo M. G. Velarde y V. M. Starov, “Humectación: conceptos y cuestiones básicas,” Enseñanza, Revista Española de Física, Octubre-Diciembre 2009 [preprint].

Hay que recordar que el agua es una molécula polar formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. El agua (y una cocción incompleta) permiten la formación de puentes (enlaces) de hidrógeno entre las largas cadenas de celulosa de la harina. El agua y las disoluciones acuosas juegan un papel fundamental en casi todos los aspectos de nuestra vida y quizá en la propia existencia de vida en la Tierra. Manuel nos recuerda en su artículo que “por el sitio que ocupa el oxígeno en el grupo VI de la Tabla Periódica, junto al azufre, el selenio y el telurio, el agua (H2O) debería hervir a unos setenta grados centígrados bajo cero y congelarse a unos noventa bajo cero (a presión atmosférica ordinaria). En realidad lo hace a cien sobre cero y cero, respectivamente. La causa de esta anomalía es el hidrógeno, debido a los “enlaces de hidrógeno” que por atracción electrostática dipolar hace con los oxígenos de moléculas en su entorno, lo que confiere al agua diferencias con otros hidruros; el agua tiene esa plus valía, por lo que el conjunto de moléculas de agua da un total superior a la suma “ordinaria” de los hidruros de oxígeno. Además, el átomo de oxígeno tiene electrones fácilmente tentadores para los átomos de hidrógeno circundantes.”

Por supuesto, Manuel nos subraya que el concepto del endurecimiento o envejecimiento del pan con el tiempo es un proceso muy complejo. “El proceso de envejecimiento del pan común tiene más que ver con el estado de cristalización del almidón que con la actual humedad presente. En un pan recién hecho, el almidón de la miga está presente en una forma amorfa, hidratada que exhibe las características suaves y sabrosas que nos gusta a todos y la costra es crujiente con un sabor agradable. Con el tiempo, el almidón empieza a convertirse en su forma cristalina más estable termodinámicamente, un proceso llamado “retrogradación”, liberando internamente moléculas de agua antes asociadas con el almidón. El resultado es un pan duro y con un paladar y gusto de pan “viejo”. Mientras que este proceso es natural e imparable, su rapidez depende de varias condiciones, como las características del almidón, la presencia de materia grasa, emulsionantes y mejoradores de masas, el uso de enzimas que modifican el almidón y las condiciones ambientales, etc. Calentando pan viejo, especialmente con vapor, se puede regenerar hasta cierto punto, pero nunca al punto de recuperar un verdadero pan fresco.”

¿Vas a tomar agua? ¡¿No recuerdas lo que le hizo al cañón del Colorado?!

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Odiar al agua es fundamental para la vida.

“Imagina que eres una molécula de agua sobre una superficie hidrofóbica (que repele el agua). Quizás tengas la suerte de formar con otras moléculas de agua una gota,” como las que recientemente hemos observado en nuestros paraguas o en las hojas de los árboles. “Pero, ¿qué pasa si estás dentro en la parte de la gota de agua que está cerca de la superficie hidrofóbica?”  Te gustaría huir de la superficie, pero no puedes. ¡Qué frustración! Sufres el llamadao “efecto hidrofóbico.” Nos lo cuentan Steve Granick y Sung Chul Bae, “A Curious Antipathy for Water,” Science 322: 1477-1478, 5 December 2008 .

El efecto hidrofóbico es fundamental, por ejemplo, en biología (para la vida misma). Un ejemplo típico son las cadenas de aminoácidos, de los que la mitad son hidrofóbicos y la otra mitad hidrofílicos, permitiendo que las proteínas se plieguen de una forma muy complicada (estructura terciaria), fenómeno en gran parte supeditado al efecto hidrofóbico. Otro ejemplo, el hecho de que el agua y las grasas (como el aceite) no se mezclen es fundamental para al autoensamblado de estructuras moleculares como las membranas celulares. De hecho, nuestras células retienen agua en su interior gracias a este efecto.

A Kirk Douglas borracho, la borrachera le hace estar más sereno que nunca (lo confiesa su personaje, claro).

Los “borrachos” siempre han sido hidrófobos. Cada día están menos de moda los borrachos. Los nanotubos de carbono están cada día más de moda. ¿Son “borrachos” los nanotubos de carbono? Perdón. ¿Son hidrófobos? Sí. ¿Qué consecuencias tiene la hidrofobicidad del agua dentro de un nanotubo de carbono? Las moléculas de agua forman cadenas largas dentro del nanotubo, gracias a enlaces de hidrógeno (debidos a la polaridad de las moléculas de agua), mostrando una sorprendente propiedad: el flujo de dichas cadenas de agua en el nanotubo carece de fricción. ¿Cómo? Comportamiento “superfluido” para el agua dentro de un nanotubo de carbono. ¡Increíble! Más aún, el comportamiento es reversible. Si se baja la temperatura por debajo de 8°C, el nanotubo de carbono se vuelve hidrófilo y el comportamiento anterior desaparece. Esta observación experimental abre grandes posibilidades para el uso de los nanotubos de carbonos en la detección selectiva de compuestos químicos controlados por la temperatura. Especialmente de compuestos solubles en agua. 

Realmente, un comportamiento muy extraño. ¿Por qué? Los estudios por ordenador muestran que el comportamiento hidrofóbico del agua depende mucho del tamaño del objeto hidrofóbico y de su curvatura. Las moléculas de agua ante materiales hidrófobos de radio de curvatura menor que un nanómetro no son capaces de “notar” su hidrofobicidad. El comportamiento hidrofóbico habitual se observa en objetos cuya superficie es más plana que esto.

El mundo “nano”  siempre repleto de sorpresas. Su aprovechamiento, la nanotecnología, nos reserva muchas más sorpresas.

Odiar al agua es fundamental para la vida del “borracho.” También será fundamental para gran número de aplicaciones nanotecnológicas. Borrachos y tecnólogos compartiendo algo en común. Será el placer por el buen vino. Será el placer por la cerveza bien fresca. Hay que cantar: “Que será, será,” … vamos, canta con Doris Day.

El agua, el placebo perfecto, o la homeopatía como placebo

Cuando sabemos que podemos superar una dificultad nos enaltecemos y logramos superarla. Pensar positivamente es clave. Nuestro sistema inmunitario es casi perfecto y permite que superemos gran número de enfermedades, a veces, rayando lo milagroso. Para que funcione bien tenemos que estar tranquilos, relajados, sin preocupaciones, saber que somos capaces de superar la dificultad…

Hay médicos buenos y “no tan buenos.” Los buenos inspiran confianza, seguridad y logran que superemos mejor nuestras enfermedades. El efecto placebo ha sido utilizado por los médicos desde siempre, muchas veces sin ser conscientes de ello, muchas veces incluso cuando los propios médicos lo niegan. La confianza en el médico es clave a la hora de superar una enfermedad. Los médicos lo saben y lo han sabido siempre. El artículo de los médicos catalanes Ana Macedo, Magí Farré, y Josep-E. Baños, “Placebo effect and placebos: what are we talking about? Some conceptual and historical considerations,” Eur. J. Clin. Pharmacol. 59: 337-42, 2003 , nos lo recuerda (o se lo recuerda a sus lectores, los propios médicos). Hay muchos artículos sobre el tema, pero lo que está claro es que el efecto placebo forma parte de la práctica clínica de los médicos buenos.

¿Qué es la homeopatía? El uso del agua para curar, para lograr que un enfermo se sane a sí mismo. ¿Cuál es la explicación de por qué funciona la homeopatía? Funciona, porque funciona. Funciona, porque el enfermo confía en que funcione. La homeopatía es el efecto placebo perfecto, el uso del agua para convencer al enfermo que ha de curarse (normalmente se usa el azúcar como placebo). Obviamente, no lo digo yo. Hasta los expertos en medicinas alternativas lo saben y lo afirman: M. Carlston, “The mechanism of homeopathy? All that matters is that it works,” Altern. Ther. Health Med. 1: 96, 1995. Aunque todos los estudios clínicos sobre la homeopatía muestran que su efecto es beneficioso, a los médicos “no alternativos” no les gusta que la única explicación sea el efecto placebo: Frank Zimmermann-Viehoff, Karin Meissner, “Homeopathy and Placebo – Synonym, Similar or Different?,” Forsch Komplementärmed, 14: 247-248 , 2007 .

Homeopatía = placebo (en microsiervos). El agua cura, pero el agua de Lourdes cura más (el precio de un “medicamento” (placebo) influye en su eficacia). La VIII Semana de la Ciencia de Madrid mezcla pseudociencia y ciencia en sus conferencias. ¿Es la homeopatía una pseudociencia? ¿Es la homeopatía una ciencia? Sin lugar da dudas, la homeopatía es la “ciencia” del “buen médico,” el que hasta con “agua cura.”

Éxitos y fracasos de la Phoenix en Marte (o no es oro todo lo que reluce)

¿Que el explorador Phoenix ha “tocado” agua en Marte es una noticia? No, la noticia es que la haya “tocado” tan tarde. Le ha costado demasiado, como nos recuerda Richard A. Kerr, “Phoenix’s Water May Be Gumming Up the Works,” Science, vol. 321. no. 5890, p. 758, 8 August 2008 . Fue un éxito su aterrizaje (por cierto con hardware y software de la “fallecida” Mars Polar Lander), lo ha sido su intrumentación (que funciona correctamente y ha encontrado que el suelo marciano es alcalino y no ácido, como se creía), y lo ha sido que encontrara hielo (aunque las observaciones orbitales indican que la Phoenix está rodeada de hielo por doquier). Pero, ¿para qué se envió la Phoenix a Marte? Para encontrar señales inequívocas de que la vida fue posible en el pasado geológico marciano. ¿Las ha encontrado? No, todavía no. ¿Hay esperanza? Según R.A. Kerr, desafortunadamente, no. 

En los 1970s, las dos Viking confirmaron que en el polo norte marciano había agua helada (H.H. Kieffer et al. “Martian North Pole Summer Temperatures: Dirty Water Ice,” Science, vol. 194, no. 4271, pp. 1341-1344, 17 December 1976, gracias a las observaciones térmicas y de reflectancia) y que en el polo sur había fundamentalmente dióxido de carbono helado (H.H. Kieffer, “Mars south polar spring and summer temperatures. A residual CO2 frost,” J. Geophys. Res., vol. 84, pp. 8263-8288, 1979), más recientemente también se ha encontrado agua. El agua que encontraron las Viking en Marte estaba “sucia” pero no se pudo determinar exactamente qué la ensuciaba.

Una de las misiones de la Phoenix es analizar la “suciedad” del hielo que se encuentra en el suelo marciano en busca de materiales orgánicos. Entonces, ¿por qué le ha costado tanto “tocar” hielo marciano? La Phoenix ha tenido problemas con su Analizador TEGA (Thermal and Evolved-Gas Analyzer). El brazo robótico introduce una muestra de tierra marciana en una pantalla, se procede a removerla para separar la “suciedad” de la tierra, y luego se introduce ésta en la celda de muestras de la TEGA. Sin embargo, todo ha sido más complicado de lo esperado. Los científicos han tenido que vibrar la pantalla muchas veces durante varios días con objeto de conseguir que se rellenara la celda de muestras. Nadie sabe el porqué ha costado tanto (palabras de uno de los encargados del “meneo,” Douglas Ming del NASA’s Johnson Space Center, de Houston, Texas). Las ideas tratando de explicarlo “rebosan” las mentes de los técnicos. Por ejemplo, quizás las partículas más finas se cargan electroestáticamente, triboeléctricamente, como cuando nos da una descarga la puerta del coche tras habernos cargado por frotamiento entre nuestra ropa y el asiento. No se conoce la respuesta, aún.

La presión sobre las “cabezas” de los científicos encargados de la misión es muy grande. De hecho, algunas de las vibraciones de la pantalla del analizador TEGA, aparentemente, causaron un cortocircuito eléctrico, lo que hizo pensar a algunos científicos que el próximo análisis con la TEGA podría ser el último. Por ello, decidieron ir a lo fácil, “tocar” hielo de agua “sucio” recogido a 5 cm de profundidad. Quizás pudiesen encontrar alguna materia orgánica preservada en dicho hielo. Pero ha costado muchos días, casi 30, un tercio de la misión planificada originalmente, lograrlo. Lo que debería haber sido “trivial” ha costado muchísimo. ¿Y qué es lo que ha encontrado el TEGA? Nada, ninguna señal de restos orgánicos. El experimento se repitió, según el investigador Raymond Arvidson, de la Washington University en St. Louis, Missouri, con más vibraciones (meneos) y tampoco encontramos nada. “De todas las cosas que pensamos que podrían ir mal, esta era la menos esperada.”

¿Por qué ha sido todo “tan difícil”? ¿Por qué ha costado tanto? Nadie lo sabe. Quizás están afectando los grandes cambios de temperatura que sufren las muestras durante el “meneo” de varios días (en las pruebas previas en la Tierra no se sometió a TEGA a cambios térmicos tan drásticos). ¿Tendrían que haber hecho pruebas más “rigurosas” en la Tierra antes de enviar la Phoenix camino de Marte?

“¡Qué pena que hayamos necesitado 30 días para sólo “tocar” hieo!” se lamenta Arvidson. Quedan 6 células de muestras de la TEGA por usar, cada una requiere unos 7 días (terrestres) de trabajo. NASA ha prolongado la misión 30 días más. Hay tiempo suficiente. “Todavía queda mucho trabajo para nosotros” según Arvidson. ¿Podrán resolver el misterio que envuelve el análisis de las muestras y desde Tierra realizar las correcciones que logren que los próximos análisis sean todo un éxito? Muchachos, está en vuestras manos. Ánimo.

 

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Agua en el subsuelo de Marte (o no cayó lluvia en el pasado marciano)

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Nadie ha encontrado agua en Marte, todavía. La única traza de la posible existencia de agua en el pasado de Marte son las huellas dejadas por ésta en “deltas de ríos” o en “laderas de lagos”, que han sido interpretadas como debidas a la presencia de ríos de agua en el pasado “lejano” de nuestro planeta “hermano” (si nuestro planeta “hermana” es Venus). ¿Durante cuánto tiempo ha tenido que fluir agua en Marte para producir las huellas que observamos? Una serie de experimentos en el Eurotank de la Universidad de Utrecht han recreado en la Tierra la morfología marciana y han estudiado cómo se podrían haber formado [Kraal et al. “Martian stepped-delta formation by rapid water release,” Nature 451, 973-976 (21 February 2008), noticia en el Eurotank].

Han estimado la topografía inicial “razonable” de un cráter marciano, han introducido diferentes mecanismos de inyección de agua y han observado que sólo son compatibles con los resultados topográficos “reales” actuales si se considera que el agua “manó” desde el subsuelo marciano, en lugar de por precipitaciones (lluvia). Más, aún considerando las posibilidades de un único evento de “inyección de agua” o de un proceso reiterado de múltiples eventos, parece ser que la hipótesis más compatible con sus resultados “terrestres” es la de un sólo evento marciano. La duración de este evento se estima como muy corta, unos 10 años marcianos (recuerde que un año marciano son 687 días terrestres y que un día marciano son 24.6 horas, poco más que un día terrestre). La estimación de la cantidad de agua necesaria para formar las estructuras en “delta” observadas en Marte parece indicar que el agua “contenida” en el río Mississippi es suficiente (una cantidad de agua relativamente “pequeña”).

En la foto de arriba se observa una foto marciana de la región recreada (NASA), una reconstrucción 3D de la región y el modelo a escala construido en el Eurotank por los dos autores. Los autores han presentado un video (Quicktime, .MOV 150 Mb) mostrando los resultados de uno de los experimentos de acumulación de sedimentos. [Sin embargo, hoy lo he descargado un par de veces y no es reconocido como archivo .MOV correcto, así que no he podido verlo… espero que tú tengas más suerte y no te quedes con las ganas. ¿Alguién se atreve a enviarlo a youtube?].

Los parámetros más importantes del modelo a escala del flujo de agua y de su sedimentación son el número (adimensional) de Froude, el de Reynolds y el de Shields. El número de Froude (depende de la velocidad del fluido y de la aceleración de la gravedad) describe la transición entre flujo crítico y supercrítico que caracterizan el tipo de sedimentación que se presenta. El número de Reynolds (depende de la velocidad y de la viscosidad del fluido) determina si el flujo es turbulento o laminar. El número de Shields (depende de los esfuerzos de cizalla sobre el terreno y de las dimensiones del grano que lo constituye) es clave para entender el tipo exacto de las marcas sedimentarias que se producen en el anegamiento del terreno, lo que realmente se ha comparado con las visibles en el propio Marte.

En resumen, los deltas de laderas muy empinadas en Marte parecen ser debidas a episodios hidrológicos de corta duración que involocran una cantidad de agua “pequeña”, por lo que deben ser debidos a la emanación de aguas subterráneas hasta la superficie y no a procesos de precipitación. Quizás estos depósitos subterráneos de agua todavía existan bajo la superficie marciana (hay cierta evidencia pero no hay ninguna demostración definitiva). De existir estos depósitos de agua líquida quizás también alberguen algún tipo de vida microbiana. El futuro próximo nos deparará sorpresas.