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Víctor M. Ponce
Universidad Estatal de San Diego, California, EE.UU.
vponce@sdsu.edu, poncevm@gmail.com
1. Introducción
La precipitación terrestre anual media divide los paisajes de la Tierra
en dos tipos: áridos y húmedos. Por un lado, el desierto de Atacama,
en el norte de Chile, es un desierto superárido, con una precipitación
anual media de 15 mm, aparentemente el más seco del mundo.
Por otro lado, Mawsynram, en Meghalaya, en la
India oriental es un bosque superhúmedo, con una precipitación
anual media de
Los paisajes áridos tienen vegetación muy limitada, mientras que
los paisajes húmedos tienen abundante vegetación. La pregunta
es: ¿Cuál es preferible? ¿Un paisaje árido, en el cual el
agua es limitada? ¿O un paisaje húmedo, en el cual abunda el agua?
La respuesta no es sencilla.
2. La biósfera
El concepto de biósfera
se atribuye al científico ruso Vladimir Vernadsky
(Hutchinson, 1970).
El agua existe en la superficie y el subsuelo terrestre
en diversos lugares y en cantidades variables, según la
estación y el clima, geología, y geomorfología,
locales y regionales. El dióxido de carbono existe
en el aire en cantidades suficientes para satisfacer
las necesidades de la vegetación; su valor actual es de
alrededor del 0.041% y está sujeto a un aumento contemporáneo
gradual y persistente debido al calentamiento global de origen antropogénico.
El oxígeno existe en el aire en aproximadamente un 21%,
habiendo fluctuado a lo largo de los eones (Fig. 1).
El cuarto componente consiste de una gama de elementos
químicos, normalmente en solución en el agua de los
poros del suelo; estos elementos, esenciales para
la vida, se denominan nutrientes.
Los requisitos fundamentales para la vida vegetal son:
(1) energía solar, fuente de toda actividad vital;
3. La necesidad de agua
La sustancia más abundante en la biósfera es el agua (H2O).
Los océanos, casquetes polares, glaciares, lagos,
ríos, suelos y atmósfera de la Tierra contienen aproximadamente
1,500 millones de kilómetros cúbicos de agua en una forma
u otra. Las inusuales propiedades físicas del agua le
confieren una química única, la cual determina
su importancia biológica (Penman, 1970).
El agua sigue siendo líquida dentro del rango de temperatura
más adecuado para los procesos vitales. En determinadas
situaciones útiles, el agua permanece en equilibrio con
sus estados sólido y gaseoso, por ejemplo, como hielo en
la superficie de un lago. La congelación comienza en la
superficie del lago y continúa hacia abajo. Esto se
debe a que cuando se somete a enfriamiento, la
contracción del agua se detiene a 4°C. A partir
de ese momento, hasta el punto de congelación,
el agua se expande, disminuyendo su densidad.
Por lo tanto, el agua más fría flota sobre el agua más caliente [Fig. 2(a)].
El agua tiene otras propiedades que hacen posible la vida.
Las más importantes son las siguientes
(Ponce, 2019):
Mayor calor específico entre los líquidos, es decir, la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de 1 kg de agua en 1°C.
Mayor calor de vaporización de cualquier líquido y, por tanto, una volatilidad muy baja. Para una determinada entrada de energía, la temperatura de una determinada masa de agua aumentará más lentamente que la de cualquier otro compuesto químico.
Un pequeño momento dipolar, el cual mide la electronegatividad
de la estructura molecular del agua, permitiendo
que el agua disuelva casi cualquier sustancia.
La mayor tensión superficial de cualquier líquido, de modo
que el radio de curvatura de su menisco es mayor que
el de cualquier otro líquido. Cuanto mayor sea el radio de curvatura,
mayor será el contenido de agua.
Su constante dieléctrica es mayor que la de cualquier otra sustancia,
lo cual hace que el agua no sea químicamente pura en su estado normal.
El agua líquida es una solución iónica que siempre contiene algunos
iones de hidrógeno. La concentración de iones de hidrógeno se
expresa mediante la escala de pH, la cual varía entre 0 y 14.
Un potencial redox variable, definido como una medida de la afinidad de una
sustancia para perder o ganar electrones y, por tanto, oxidarse o reducirse,
respectivamente [Fig. 2 (b)].
A diferencia de cualquier otra sustancia de la naturaleza,
las propiedades físicas variadas del agua
le permiten apoyar la vida en todos los entornos terrestres,
incluidos los terrestres, fluviales, oceánicos y atmosféricos.
Fig. 2 (a) Moléculas de agua y temperatura ambiente.
Fig. 2 (b) Procesos de oxidación y reducción en agua.
4. La necesidad de nutrientes
La ecología define la biósfera como el lugar de
interacción del hidrógeno, carbono, nitrógeno
y oxígeno. En la Tabla Periódica de los Elementos,
estos elementos están numerados 1, 6, 7 y 8,
respectivamente (Fig. 3). Si ampliamos esta
lista para incluir fósforo (15) y azufre (16),
tendremos un conjunto de seis de los dieciséis
elementos más ligeros, que conforman el acrónimo
NCHOPS.
La biosfera se compone principalmente de dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). El nitrógeno, un componente importante de las proteínas, es sorprendentemente escaso, alrededor del 0.5%. Cuando se queman, los constituyentes de las cenizas biosféricas constituyen aproximadamente el 1.2% del peso original. Los elementos dominantes son el calcio, el potasio, el silicio y el magnesio, todos con importantes funciones bioquímicas. Un átomo de magnesio (0.099%) se encuentra en el centro de cada molécula de clorofila. El silicio (0.122%) es útil para construir estructuras resistentes. El azufre (0.071%) es el "endurecimiento" de las proteínas. Una proteína no puede realizar su función a menos que esté plegada y tenga una forma particular. Esta estructura tridimensional se mantiene mediante enlaces entre átomos de azufre que unen un segmento de una molécula de proteína con otro. El fósforo (0.052%) es absolutamente necesario para la biosfera. El "enlace de fosfato de alta energía" es el combustible universal para todo el trabajo bioquímico de la célula. Un átomo de fósforo por molécula de adenosina es absolutamente esencial para el buen funcionamiento de la biosfera (Deevey, 1970). La Tabla 1, Parte 1, muestra la composición de la biosfera, con los elementos enumerados por número atómico creciente, de 1 a 16. La Parte 2 muestra los elementos más pesados (peso atómico superior a 16), enumerados por su cantidad relativa. Los tres elementos principales, oxígeno, carbono e hidrógeno, constituyen el 98.4% (en peso) de la biosfera. El 1.6% restante son los nutrientes. Encabeza la lista el nitrógeno, seguido del calcio, potasio, silicio, magnesio, azufre, aluminio, fósforo, cloro, hierro, manganeso y sodio. La Tabla 2 ordena los elementos por peso (kg/ha).
Observamos que la biósfera es a la vez húmeda y carbonácea; una sola clase de compuestos, el formaldehído (CH2O) y sus polímeros, constituye más del 98% del peso total. La fórmula empírica de la materia viva es: H2960O1480C1480N16P1.8S (Deevey, 1970).
En resumen, concluimos lo siguiente sobre la composición de la biosfera:
5. El clima y los seres humanos
La especie
humana está presente en todos los
continentes y climas del mundo (Fig. 4) (Klinger y Ryan, 2022).
El 15 de noviembre de 2022, la población mundial alcanzó los
8 mil millones.
El Cuadro 3 muestra que el 62% de la población mundial vive en
regiones húmedas, con una precipitación media anual superior a 800 mm;
el resto, el 38%, vive en regiones áridas, con menos de 800 mm.
También muestra que el 70% de la población (27% semiárida + 43% subhúmeda)
vive en los lugares comprendidos por
las isoyetas de 400 y 1600 mm (los datos que se
muestran en la Tabla 3 han sido tomados de la Fig. 4). Concluimos
que los humanos, en general, tienen una ligera preferencia por
las regiones húmedas: Aproximadamente seis de cada diez personas viven en regiones húmedas.
El razonamiento anterior se relaciona con la cantidad de humedad ambiental.
Constituye una valoración correcta de la realidad del clima, al menos en
lo que a cantidad de agua se refiere.
Tanto el agua como los nutrientes son necesarios para el buen
funcionamiento de la biósfera.
6. La isoyeta de 800 mm
Una isoyeta es una curva que muestra "igual precipitación"
en unidades de profundidad, generalmente en milímetros.
En la hidrología de aguas superficiales, la curva de isoyetas,
o simplemente "isoyeta", se utiliza normalmente
para representar la precipitación media anual, en mm/año.
La isoyeta de
El origen del valor de 800 mm merece una explicación más detallada.
La cantidad de humedad almacenada en la atmósfera es
función de la latitud y el clima, varíando típicamente
de 2 a 15 mm en las regiones polares y áridas, a 45 a 50 mm en
las regiones húmedas (UNESCO, 1978).
Las regiones áridas generalmente tienen menos agua y humedad y,
por lo tanto, presentan suelos relativamente no lixiviados.
Cuanto más árida sea la región, es probable de que permanezcan más
nutrientes en el perfil
del suelo, tanto en cantidad como en calidad [Fig. 5(a)]. Por el contrario, las regiones
húmedas tienen más agua y humedad, y en el tiempo
geológico se ha producido una lixiviación considerable
del suelo. Cuanto más húmeda es la región, más probable
es que los suelos carezcan de una gran cantidad de nutrientes [Fig. 5 (b)].
Este hecho ha sido ampliamente documentado
Fig. 5 (a) El desierto del Sahara.
Fig. 5 (b) La selva amazónica.
Se observa que la humanidad se enfrenta a este dilema:
Cuanto más árida es la región, menos agua hay; por otro lado, cuanto
más húmeda es la región, menos nutrientes hay.
Está claro que se necesitan cantidades adecuadas de agua y nutrientes
para el correcto funcionamiento de la biosfera.
Postulamos aquí que la disponibilidad de ambos
recursos parece ser óptima en o cerca a la isoyeta de 800 mm.
Una región más seca de lo óptimo
(menos de 400 mm) tendrá un buen suministro
de nutrientes de todo tipo, incluidos los que son
muy necesarios para la vegetación (entre ellos,
potasio y magnesio), y aquéllos que tal vez no sean
necesarios en las cantidades en las que están presentes
(sodio y calcio). Por lo tanto, habrá que desperdiciar
estos últimos, creando un problema de eliminación de
sales residuales que, en la mayoría de los casos,
resulta ser onerosa. Tal como se ha
demostrado en varias oportunidades, las
sociedades a nivel global deben pagar
por la disposición adecuada de las sales residuales
de la irrigación
Por el contrario, una región que es más húmeda
que lo óptimo (más de 1600 mm) tendrá
un suministro de agua garantizado, pero es probable
que los nutrientes estén ausentes en cantidad y calidad,
una situación que claramente no es adecuada
para la productividad de la agricultura.
Concluimos que una región en o cerca de la
isoyeta de 800 mm es aquélla en la cual el suministro
tanto de agua como de nutrientes es óptimo;
por lo tanto, es una región más adecuada
para el bienestar y el progreso de la humanidad.
Las aseveraciones anteriores no implican que deban
evitarse las regiones fuera de este rango (400-1,600 mm).
Más bien, implica que el asentamiento de regiones
áridas y húmedas fuera de este rango resultará más
costoso, probablemente de manera hasta ahora
imprevista. Esto puede resultar en costos
tangibles adicionales y/u otros efectos
negativos que estarían, por el momento, algo ocultos para la salud pública y ambiental.
7. Estudio de caso: Michoacán, México
México es el mayor productor de
aguacate del mundo y representa el 30% de la producción mundial
(U.S. Department of Agriculture, 2021).
El estado de Michoacán, en el centro oeste de México, representa
el 75% de la producción nacional de aguacate y el 81% del valor
total de la producción. No es
sorprendente que la precipitación media anual
en Michoacán sea de 850 mm (INEGI, 2023),
muy cercana al valor de 800 mm considerado óptimo en este trabajo.
8. Resumen
Hemos demostrado que tanto el agua como los nutrientes
son necesarios para el funcionamiento normal de la
biósfera. Los climas globales suelen clasificarse
en términos generales en:
En conclusión, la vida cerca de la isoyeta de
800 mm puede resultar en general más saludable
para los humanos y ciertamente más sostenible.
Se reducirá la cantidad de insectos y
otras plagas, al mismo tiempo que prácticamente
se eliminará la necesidad de tener que disponer de sal
residual adicional. Esto último se debe
a la necesidad de irrigación de las tierras
áridas para satisfacer la creciente demanda
de alimentos a nivel global.
Referencias
Deevey, E. S. Mineral Cycles.
Hutchinson, G. E. The Biosphere.
INEGI, 2023.
Monografías, Información, Michoacán.
Klinger, B. A., y S. J. Ryan. 2022. Population distribution within the human climate niche.
PLOS Climate, 1(11).
L'vovich, M. I. 1979. World water resources and their future.
American Geophysical Union, Washington, D.C.
Penman, H. L. The Water Cycle.
Ponce, V. M., R. P. Pandey, y S. Ercan. 2000.
Characterization of drought across climatic spectrum.
Ponce, V. M. 2019.
Las propiedades del agua.
Artículo en línea. https://ponce.sdsu.edu/propiedades_del_agua.html
Ponce, V. M. 2023.
Is the irrigation of arid lands a double-edged sword?.
Artículo en línea.
UNESCO. 1978. World Water Balance and Water Resources of the Earth. Paris, France.
U.S. Departament of Agriculture, 2021. Global Agriculture Information Network Report, October 5, 2021.
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