I. El Agua de Mar: Una Disolución Compleja
El agua de mar, que forma los océanos y mares, cubre más del 70 por ciento de la superficie de la Tierra. En nuestro planeta es abundante y se estima que existen 1 370 millones de kilómetros cúbicos de agua, la mayor parte de ella formando el agua del océano. El agua salada es una disolución hecha o basada en agua que compone los océanos y mares de la Tierra. El agua de mar es una disolución en agua (H2O) de muy diversas sustancias. Hasta los 2/3 de los elementos químicos naturales están presentes en el agua de mar, aunque la mayoría sólo como trazas.
Nos referimos a esa concentración total como salinidad, que suele expresarse en tanto por mil (‰). Es salada por la concentración de sales minerales disueltas que contiene, un 3.5 %; es decir, en cada litro de agua (1000 gramos) hay 35 gramos de sales disueltas como media. El agua de mar está formada por sales minerales, aproximadamente en un 3,5%. El resto es agua. De los 118 elementos que componen la Tabla Periódica, en torno a 80 están presentes en el agua de mar. La sal proveniente del agua de mar tiene más de 80 de los 118 elementos de la tabla periódica, lo que la convierte en un excelente recurso mineral para el funcionamiento del organismo humano.
II. Origen y Variaciones de la Salinidad
Las teorías científicas detrás de los orígenes del agua marina comenzaron con Edmond Halley en 1715, quien propuso que la sal y otros minerales fueron arrastrados al mar por los ríos desde los continentes. Estos procedían del lavado continuo de los minerales terrestres mediante la lluvia. El proceso ocurre desde el momento en que el ácido carbónico presente en el agua de lluvia entra en contacto con las rocas. Este compuesto químico, que resulta de la mezcla del dióxido de carbono del aire y el agua, tiene la capacidad de erosionar las rocas sobre las que cae. Una vez llegando al océano, estas sales se fueron concentrando cada vez más en los océanos mediante el ciclo hidrológico.
La teoría de Halley era parcialmente correcta. A esto habría que añadirle el sodio sobre el fondo oceánico cuando este se formó. La presencia del otro ion salino, el cloro parece provenir de los escapes gaseosos provenientes del interior de la Tierra y que escapan vía hidrotermal o en las erupciones volcánicas. Además de este depósito de rocas erosionadas, existen otros fenómenos secundarios que contribuyen a la salinidad del agua de mar, como la evaporación del agua, las erupciones volcánicas, los deshielos y las aberturas hidrotermales.
La teoría comúnmente aceptada es que la salinidad ha permanecido estable durante la vida de la Tierra, y que los iones de sal mantienen un ciclo continuo que los hace penetrar y ser expulsados en el interior de la Tierra. La salinidad no ha crecido desde hace miles de millones de años, a causa de la acumulación de sal en sedimentos.
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El grado de salinidad del mar va a depender de la latitud en la que se encuentre. La salinidad presenta variaciones cuando se comparan las cuencas, las distintas latitudes o las diferentes profundidades. En el caso de las zonas más frías, como el Océano Ártico, la concentración de sal es menor en comparación con zonas tropicales, donde se encuentra, por ejemplo, el Mar Caribe, porque la concentración de sal es mayor. De igual forma, en las zonas donde llueve con frecuencia, el nivel de salinidad es bajo, como ocurre en el Mar Báltico. Ahí, se encuentran áreas en las que la composición es solo de un 0,6% de sal.
De todos los mares abiertos es el mar Rojo el que presenta mayor salinidad (40 ‰), bordeado como está de regiones áridas. El mar Báltico es el de salinidad menor (6 ‰ en las aguas superficiales del golfo de Botnia), por su pequeña profundidad, clima frío y amplitud de las cuencas que vierten sus aguas en él, lo que unido a su topografía casi cerrada, limita mucho los intercambios con el océano Mundial. La salinidad es muy variable en los lagos y mares cerrados que ocupan cuencas endorreicas, con solo un 12 ‰ en el mar Caspio y hasta un 330 ‰ en las capas superficiales del mar Muerto. Halley también se dio cuenta de que aquellos lagos que no tenían salida al mar (como el mar Muerto o el mar Caspio) tenían altas concentraciones salinas. Aunque se le denomine así, el Mar Muerto no es un mar, sino un lago interior, ya que no tiene litoral. Su composición salina es de 35%. Esto es lo que hace que se le denomine mar.
III. Iones y Elementos Principales Disueltos
Una gran cantidad de químicos analistas se ha entregado al estudio de la composición química del agua oceánica, tratando de determinar con exactitud su composición salina. Desde los tiempos del químico Lavoisier hasta nuestros días, los análisis se han sucedido repetidamente. Las primeras determinaciones de las sales disueltas en el agua del mar, hechas con precisión, se deben al oceanógrafo William Dittmar que analizó 77 muestras recolectadas en los océanos Atlántico, Pacífico e Índico en la expedición del Challenger alrededor del mundo que se realizó durante los años 1873 a 1876. En 1884 determinó halógenos, sulfatos, cloruros, carbonatos de sodio, magnesio, calcio y potasio.
Las sales en agua se disocian en iones. Un ion es un átomo cargado positiva o negativamente y que, por tanto, intercambia electrones con el medio. Pueden absorber y liberar electrones a las partículas vecinas.
Los seis iones más abundantes del agua de mar son el cloruro (Cl-), el sodio (Na+), el sulfato (SO24-), el magnesio (Mg2+), el calcio (Ca2+) y el potasio (K+). Por peso, estos iones constituyen aproximadamente el 99% de todas las sales marinas. Y esas sales están integradas por, fundamentalmente, cloro, calcio, magnesio, sodio, potasio, bromo, estroncio, flúor y boro.
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A continuación, se detallan algunos de los componentes principales:
- Cloruro y Sodio: La sal común representa el 80 por ciento de las sales en solución. El cloruro (Cl-) y el sodio (Na+) son los iones más abundantes.
- Magnesio: Después del cloro y el sodio, el magnesio es el elemento más abundante en el agua del mar, se encuentra en una relación constante respecto al cloro. Se combina con otros elementos formando cloruro de magnesio, sulfato de magnesio y bromuro de magnesio y está presente en el esqueleto de algunos organismos marinos. Gran parte del magnesio del mundo se recupera del agua de mar.
- Azufre (Sulfatos): El azufre se encuentra en forma de sulfatos, compuestos cuya concentración varía poco, aunque pueden cambiar notablemente sus proporciones en las aguas próximas al litoral debido a la influencia de las aguas fluviales, más ricas en sulfatos que las marinas.
- Calcio: Los iones de calcio (Ca2+) son también principales componentes y se encuentran en los caparazones de los crustáceos y en la concha de los moluscos.
- Potasio: El sexto elemento en abundancia es el potasio, que tiene su relación constante con el cloro. En las zonas litorales la cantidad de potasio puede modificarse al ser asimilado por los vegetales marinos que tapizan el fondo costero.
- Bromo: Grandes cantidades de bromo se recuperan del agua de mar.
- Estroncio y Fluoruro: El estroncio es un elemento que se ha encontrado en el agua oceánica pero ha sido poco estudiado, se detecta junto con el calcio por la dificultad técnica para poder separarlo. El estroncio y el fluoruro constituyen las otras principales sustancias disueltas del agua de mar.
- Boro: El boro está en forma de ácido bórico y colabora en el equilibrio de los carbohidratos.
Tabla: Iones y Elementos Químicos Principales en el Agua de Mar
| Componente Principal | Notas |
|---|---|
| Cloruro (Cl-) | Uno de los seis iones más abundantes; junto al sodio, forma la sal común, que representa el 80% de las sales en solución. |
| Sodio (Na+) | Uno de los seis iones más abundantes; junto al cloruro, forma la sal común. |
| Sulfato (SO42-) | Uno de los seis iones más abundantes; el azufre se encuentra en esta forma. |
| Magnesio (Mg2+) | Uno de los seis iones más abundantes; elemento muy abundante, recuperado comercialmente del agua de mar. |
| Calcio (Ca2+) | Uno de los seis iones más abundantes; presente en caparazones de crustáceos y conchas de moluscos. |
| Potasio (K+) | El sexto elemento en abundancia; su concentración puede modificarse en zonas litorales. |
| Bromo | Se recupera en grandes cantidades del agua de mar. |
| Estroncio | Poco estudiado; detectado junto al calcio; constituye una sustancia disuelta principal. |
| Flúor | Constituye una sustancia disuelta principal. |
| Boro (Ácido Bórico) | Colabora en el equilibrio de los carbohidratos. |
IV. Oligoelementos y Otros Constituyentes Menores
Además de estos elementos que se encuentran en mayor proporción y en concentraciones constantes en el agua del mar, existen otros que están disueltos en pequeñas cantidades resultando difícil identificarlos con técnicas sencillas de análisis químicos. Por su concentración los oligoelementos se dividen en dos grupos. Unos son los de concentración relativamente constante como hierro, manganeso, cobre, sílice, yodo y fósforo. De los muchos constituyentes químicos menores disueltos, el fósforo inorgánico y el nitrógeno inorgánico se encuentran entre los más notables, ya que son importantes para el crecimiento de los organismos que habitan los océanos y los mares. Además, en el agua del mar también están presentes otros compuestos como silicio, fósforo, hierro, cobre, iodo y manganeso.
- Hierro: A pesar de ser escaso el hierro en el agua del mar es uno de los elementos indispensables para la vida en el océano. El hierro abunda en los sedimentos marinos, sobre todo en los lodos de la plataforma continental y del litoral en forma de hierro metálico como carbonato ferroso, sulfato o sulfuro de hierro. Su concentración es de 3.4 microgramos por litro de agua de mar.
- Manganeso: El manganeso es más abundante en los vegetales marinos que en el medio líquido y cuya concentración alcanza 0.5 microgramo por litro.
- Cobre: La concentración de cobre es de 1 microgramo por litro y se incrementa si es mayor el aporte de agua dulce.
- Sílice: Uno de los oligoelementos más abundantes es el sílice, del que se encuentran 3 gramos disueltos por cada litro de agua.
- Fósforo: El fósforo se presenta como fosfatos y es otro elemento indispensable para los seres vivos. Su concentración en el agua es de 88 microgramos por litro.
- Radio: Otros de estos oligoelementos provienen de la actividad radiactiva y uno de los más interesantes es el radio, que se encuentra en mayor cantidad en las capas profundas del mar; gracias a su presencia los oceanógrafos pueden calcular la edad de los sedimentos.
El aprovechamiento de los oligoelementos por los organismos cambia según las diferentes especies.
V. Gases Disueltos en el Agua de Mar
El agua del mar también contiene gases en disolución. Los gases disueltos son los mismos que componen el aire libre, pero en diferentes proporciones, condicionadas por diversos factores. Como cada gas tiene su propia solubilidad, la proporción en que están disueltos en el mar no es igual a la que presentan en la atmósfera y se encuentra un promedio de nitrógeno de 64 por ciento, de oxígeno de 34 por ciento y de bióxido de carbono de 1.6 por ciento. En aguas oceánicas superficiales bien mezcladas, la composición típica de gases disueltos incluye un 64 % de nitrógeno (N2), un 34 % de oxígeno (O2) y un 1.8 % de dióxido de carbono (CO2), muy por encima este último del 0.04 % que hay en el aire libre.
La temperatura y la salinidad influyen reduciendo la solubilidad de los gases cuando cualquiera de esos dos parámetros aumenta. Otros factores son la actividad metabólica de los seres vivos y los complejos equilibrios químicos con los solutos sólidos, como el ion bicarbonato (HCO3-). El agua superficial del mar mantiene un equilibrio con la atmósfera absorbiendo o perdiendo gases debido a las corrientes del mar que originan la evaporación, el enfriamiento y la congelación, y también a la mezcla provocada por las olas y turbulencias resultado de la acción del viento. El agua del mar también contiene fitoplancton y zooplancton.
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- Nitrógeno: La reserva principal en el agua del mar está constituida por los nitratos y en menor cantidad por el amoníaco y los nitritos. La distribución del nitrógeno depende de la temperatura, la salinidad, la circulación de los procesos de mezcla y la difusión que se realiza en las aguas oceánicas.
- Oxígeno: El oxígeno es el gas que más se ha estudiado dada su importancia en los procesos biológicos. La distribución del oxígeno en el océano depende de la circulación de las masas de agua. El oxígeno en el océano puede variar de cero a 8.5 centímetros cúbicos por litro. El oxígeno (O2) abunda sobre todo en la superficie, donde predomina la fotosíntesis sobre la respiración, y suele presentar su mínimo hacia los 400 m de profundidad, donde los efectos de la difusión desde el aire libre y de la fotosíntesis ya no alcanzan, pero donde todavía es alta la densidad de organismos consumidores, que lo agotan. La zona donde la producción de oxígeno por fotosíntesis excede al consumo respiratorio es la zona fotosintética, y la profundidad donde el consumo y la producción son iguales se llama zona o profundidad de compensación.
- Dióxido de Carbono: Tanto el bióxido de carbono, como los carbonatos y bicarbonatos tienen especial importancia en la vida marina. El bióxido de carbono llega a los océanos principalmente del aire atmosférico, contribuyendo asimismo a producirlo la respiración de los vegetales y los animales marinos. En cambio, en aguas profundas, donde las temperaturas y salinidades son más bajas, las variaciones en el contenido de bióxido de carbono total son más amplias.
VI. Propiedades Físico-Químicas del Agua de Mar
Muchas de las características del agua de mar corresponden a las del agua en general, debido a sus propiedades químicas y físicas comunes. Por ejemplo, la estructura molecular del agua de mar, al igual que la del agua dulce, favorece la formación de enlaces entre moléculas. Algunas de las cualidades distintivas del agua de mar son atribuibles a su contenido de sal.
- Densidad: La densidad media en superficie es de 1.025 g/ml, siendo más densa que el agua dulce y el agua pura. La densidad del agua del mar es una de sus propiedades más importantes. Es determinada usando la ecuación internacional de estado del agua de mar a presión atmosférica, que es formulada por la Unesco (UNESCO Technical Papers in Marine Science, 1981) a partir de los trabajos realizados a lo largo de todo este siglo para conocer las relaciones entre las variables termodinámicas del agua del mar: densidad, presión, salinidad y temperatura. La densidad también es mayor por la misma razón (mayor salinidad).
- Viscosidad: La viscosidad (es decir, la resistencia interna al flujo) del agua de mar, por ejemplo, es mayor que la del agua dulce debido a su mayor salinidad.
- Punto de Congelación y Descenso Crioscópico: A mayor contenido en sal, más bajo es su punto de congelación, por lo que el agua del mar se convierte en hielo bajo los −2 °C, aunque se ha registrado una corriente en la Antártida a −2.6 °C. El descenso crioscópico es la reducción del punto de congelación de un disolvente puro por la presencia de solutos. Es directamente proporcional a la molalidad, lo que hace que sea más importante para solutos iónicos, como los que predominan en el agua de mar, que para los no iónicos. El fenómeno tiene importantes consecuencias en el caso del agua de mar, porque la respuesta al enfriamiento intenso del agua del océano, como ocurre en el invierno de las regiones polares, es la separación de una fase sólida flotante de agua pura.
VII. Impacto Antropogénico en la Composición del Agua de Mar
Aunque los océanos constituyen un enorme reservorio, las actividades humanas han comenzado a influir en su composición tanto a escala local como global.
- Contaminantes y Nutrientes: La adición de nutrientes (a través de la descarga de aguas residuales sin tratar o la filtración de fertilizantes minerales solubles, por ejemplo) a las aguas costeras da como resultado un mayor crecimiento del fitoplancton, altos niveles de materiales orgánicos disueltos y particulados, una menor penetración de la luz a través del agua de mar y la alteración de la estructura comunitaria de los organismos que habitan en el fondo. A través de las emisiones industriales y automotrices, las concentraciones de plomo en la superficie del océano han aumentado dramáticamente a escala global en comparación con los niveles preindustriales. Ciertos compuestos orgánicos tóxicos, como los bifenilos policlorados, se encuentran en el agua de mar y en los organismos marinos y son atribuibles únicamente a las actividades de la humanidad.
- Radiactividad: Aunque la mayor parte de la radiactividad en el agua del mar es natural (aproximadamente el 90% como potasio-40 y menos del 1% como rubidio-87 y uranio-238), el estroncio-90 y algunos otros radioisótopos artificiales tienen vías ambientales únicas y potencial para la bioacumulación (es decir, concentración en los niveles superiores de la cadena alimentaria).
- Dióxido de Carbono: Entre las influencias más dramáticas de las actividades humanas a escala global se encuentra el notable aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera. Los niveles de dióxido de carbono atmosférico superaron las 420 partes por millón por volumen para 2022, y algunas fuentes predicen que los niveles podrían llegar a casi 490 partes por millón a mediados del siglo XXI, con consecuencias potencialmente profundas para el clima global y los patrones agrícolas. En relación con la abundancia de bióxido de carbono en el océano, se tiene que considerar que durante los últimos 100 años el hombre ha utilizado en su industria abundantes combustibles de origen fósil, como petróleo, carbón y gas natural, lo que ha producido aproximadamente 2 000 millones de toneladas de este gas, que se fueron añadiendo a la atmósfera cada año y si todo quedara en ella aumentaría hasta alcanzar 1.6 partes por millón al año, pero como sólo se queda la mitad el aumento ha sido de 0.7 partes por millón. Se cree que los océanos, como una gran reserva de dióxido de carbono, mejorarán en cierta medida esta consecuencia de las actividades humanas.
VIII. Desalinización del Agua de Mar
El agua del mar, cuando se desaliniza, puede proporcionar un suministro ilimitado de agua potable. Hablar de desalinizar o desalar es hacer referencia al proceso mediante el cual se obtiene agua potable a partir del agua salada. La desalinización es el proceso de eliminar la sal del agua de mar, haciéndola potable. El principal objetivo de la desalación del agua de mar es cubrir la necesidad del recurso en las poblaciones con difícil acceso a agua dulce.
Métodos de Desalinización
Esto se hace hirviendo el agua y recolectando el vapor (termal) o empujándolo a través de filtros especiales (membrana). El método de ósmosis inversa es el más implementado a nivel mundial para reducir los niveles de sal en el agua. La investigación ha producido otros métodos más simples: uno, llamada de ósmosis inversa, desala el agua pasándola por una membrana sintética; el otro, llamado de hidratación, implica la mezcla de propano con el agua salada. Cuando el agua no es muy salada, puede emplearse otro método. En Webster (Dakota del Sur), el agua era demasiado salobre (casi el doble de lo que el gobierno considera aceptable), aunque mucho menos que el agua del mar. Se instaló una planta desaladora por electrodiálisis, proceso que es muy caro cuando la concentración de sales es alta. La destilación en gran escala puede presentar problemas inesperados.
Seguridad y Eficacia
¿El agua desalinizada es segura para beber? Generalmente, sí. El agua desalinizada, siempre que esté limpia, es perfectamente potable y ya se está consumiendo una gran cantidad en todo el planeta. La desalinización ha estado en uso en partes del mundo ricas en energía y pobres en agua dulce durante décadas: aproximadamente la mitad de la producción mundial se concentra en el Medio Oriente y África del Norte. Pero limpiar el agua no está libre de desafíos. La sal no es lo único que se encuentra en el agua de mar: a menudo también hay mucho boro, que no es bueno para los cultivos y en grandes concentraciones podría no ser saludable para los humanos. Y no siempre es fácil limpiar el agua salada. También pueden entrar otros contaminantes.
Impacto Ambiental y Soluciones Sostenibles
El problema es que ambos procesos (termal y membrana) requieren grandes cantidades de energía, lo que los hacen inasequibles para las comunidades empobrecidas y exacerba el cambio climático. No hay duda de que la desalinización consume mucha energía. Y si esa energía proviene de fuentes sucias, la desalinización puede conducir a un resultado paradójico: puede desencadenar gases de efecto invernadero, empeorar el calentamiento global, aumentar las sequías y, por lo tanto, la necesidad de más desalinización. Las plantas desalinizadoras más modernas utilizan significativamente menos energía que sus predecesoras. Y los defensores están buscando formas de usar energía renovable para impulsar el proceso.
Un desafío aparte es la salmuera, el fluido salado hiperconcentrado que se elimina del agua dulce. Si simplemente se bombea directamente al mar, la sustancia densa se hunde hasta el fondo del fondo del océano y sofoca la vida marina. La otra preocupación es la salmuera. La salmuera, el subproducto de la desalinización, es agua salada altamente concentrada. Por lo general, se devuelve al mar y, debido a su alta concentración, daña el ecosistema marino.
El resultado fue un sistema que se basa en la energía solar u otra energía renovable para tratar el agua, lo que hace que la desalinización sea libre de carbono. Esto lo hace mucho más asequible y sostenible. Los ingenieros fundaron una empresa para ayudar a difundir su invento, llamada Elemental Water Makers. La galardonada tecnología patentada de la compañía proporciona desalinización con energía solar fuera de la red a las comunidades que experimentan escasez de agua en todo el mundo. Lo utilizan tanto empresas privadas, como complejos turísticos isleños y comunidades, como la de Madagascar. La tecnología utilizada por Elemental Water Makers aborda este problema mediante la aplicación de una tasa de recuperación baja al agua de mar, lo que significa que la salmuera es solo un poco más salada que el agua de mar original. Además, debido a la pequeña escala de los proyectos, no existe un único vertedero con una alta concentración de contaminación. Aún así, la creciente población mundial y la demanda de agua potable significan que se espera que el mercado de agua desalinizada crezca, alrededor de un 9% anual en los próximos cinco años, según una estimación.