¿Cómo responde el agua a las temperaturas cambiantes?

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Un equipo de químicos ha descubierto nuevas formas en que el agua congelada responde a los cambios de temperatura para producir nuevas formaciones. Sus hallazgos, que se publican en 'Proceedings of the National Academy of Sciences', tienen implicaciones para la investigación climática, así como otros procesos que involucran la formación de hielo, desde la conservación de los alimentos hasta la agricultura.

"La congelación y el derretimiento del hielo están entre los eventos más comunes en la Tierra", explica uno de los autores del documento, Michael Ward, profesor de Química en la Universidad de Nueva York, Estados Unidos. "Estos procesos son sorprendentemente complejos y no se entienden bien debido al número de variables involucradas. Nuestros descubrimientos revelan algunas propiedades dinámicas inusuales de las superficies de hielo en contacto con el agua líquida cuando difieren las composiciones isotópicas del sólido y el líquido", agrega.

Entender la dinámica de la cristalización del hielo, también conocida como formación de hielo, es vital no sólo en la investigación climática, sino también en varias industrias: mitigar daños por heladas en la agricultura y la construcción, optimizar la conservación de alimentos y entender de su impacto en carreteras y rieles.

La variación en el punto de fusión es significativa

En este nuevo estudio, los investigadores se centraron en múltiples formas de agua y, en particular, agua que contiene diferentes isótopos de hidrógeno: sus diferencias en el recuento de neutrones producen distinciones en la masa atómica. Estas formas incluían agua ligera o "normal" (H2O) y "agua pesada" (D2O), con deuterio (D) aumentando la masa de agua en comparación con el agua normal.

La importancia de la variación en el punto de fusión

Se sabe desde hace mucho tiempo que diferentes isótopos confieren distintas propiedades a estas clases diferentes de agua, sobre todo los distintos puntos de fusión. El H2O comienza a derretirse a cero grados centígrados (32 grados Fahrenheit), mientras que D2O lo hace a 3,8 grados centígrados (casi 39 grados Fahrenheit).

La variación en el punto de fusión es significativa. Por ejemplo, los núcleos de hielo antárticos o de Groenlandia están compuestos por H2O y D2O. Como resultado, se congelan y se funden a diferentes temperaturas. Esta propiedad se usa para estimar las temperaturas globales durante los últimos milenios. Esto plantea la pregunta en la que se centraron los investigadores: ¿qué sucede cuando interactúan tipos de agua con diferentes puntos de congelación y de fusión?

Los investigadores descubrieron que bajo condiciones en las que la temperatura se controlaba con precisión, la superficie de un cristal D2O que entra en contacto con el líquido H2O asumió una apariencia como de vieira, con estas características "onduladas" oscilando durante horas.

Aunque el equipo de NYU no podía simular todos los aspectos de las características oscilantes, especularon que reflejan una gama de fenómenos: una compleja interacción de intercambio de agua líquida y agua pesada en el cristal, ligeras diferencias en la temperatura de fusión a lo largo de la interfaz ondulante y la transferencia de calor a lo largo de la superficie ondulada de hielo con forma ondulante.

"Si estos procesos pueden ser desentrañados por completo, es posible avanzar en nuestra comprensión de las propiedades del hielo que son importantes en numerosos ámbitos, incluyendo la investigación del clima, el daño de las heladas en la agricultura y la construcción, la dinámica de los glaciares y la preservación de los alimentos", observa Ward.

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