El ciclo hidrológico

El agua del planeta Tierra no permanece inmóvil. Continuamente está desplazándose y cambiando de estado físico. Una molécula de agua pasa, gracias a la evaporación, del océano a formar parte de la atmósfera. Después se integra en una nube.

A continuación cae como lluvia o nieve. Si lo hace sobre un continente, comenzará entonces un largo trayecto a través de torrentes, ríos y corrientes subterráneas hasta regresar al mar, donde comienza de nuevo todo el recorrido.

El agua realiza así un ciclo que no tiene fin, un ciclo del que depende la vida en el planeta. Dicho ciclo está integrado por una serie de procesos mediante los cuales el agua varía de estado físico y/o se desplaza de unos lugares a otros. Estos procesos son la evaporación, la precipitación, la infiltración y la escorrentía.

Las precipitaciones constituyen el medio por el cual los continentes reciben su aporte de agua. El vapor procedente de los océanos se condensa en la atmósfera y forma nubes, que posteriormente descargan su contenido de humedad como lluvia o nieve. La proporción de precipitaciones que tienen lugar sobre los continentes es mayor que la que se produce sobre los océanos. El equilibrio se recupera cuando, más tarde, los ríos devuelven esta agua a los océanos.

La producción y distribución, tanto geográfica como temporal, de las precipitaciones depende de factores climáticos, como la temperatura, la radiación solar y la presencia de vientos. También influyen, y en gran medida, factores orográficos como la presencia de cordilleras, sobre las que las nubes se ven obligadas a ascender, enfriándose. Ello hace que su humedad se condense y caiga a tierra como lluvia o nieve.

Distribución del agua en la Tierra

El agua se halla presente en la Tierra en sus tres fases: vapor, líquido y sólido. La mayor parte, el 97,2 % ocupa los mares y océanos y es, por tanto, agua salada. El 2,8 % restante está en los continentes y corresponde al agua dulce.

Este porcentaje se encuentra repartido de forma que el 2,15 % es el hielo de los polos y los glaciares y la nieve de las cumbres montañosas, el 0,62 % es el agua almacenada en depósitos subterráneos y el 0,017 % lo constituye el agua de los ríos, los lagos y los pantanos. En términos de cifras absolutas, se estima que el total del agua presente en el planeta es de 1.400.000.000 km3.

En cuanto al agua existente en forma de vapor, se halla en la atmósfera y representa sólo el 0,001 % de la cantidad total. La mayor parte se encuentra sobre los trópicos, y el porcentaje disminuye a medida que aumenta la latitud. Este vapor cumple dos funciones importantes: actúa como regulador de la temperatura atmosférica y constituye la fuente para las precipitaciones que devuelven el agua a la superficie.

Paisaje nevado en las inmediaciones de la ciudad argentina de San Carlos de Bariloche. La nieve es una de las formas en que cae a la Tierra el agua precipitada por las nubes.

Sin embargo, aunque los anteriores porcentajes se mantienen invariables a lo largo del tiempo, el agua no permanece inmóvil. Se encuentra en permanente movimiento, cambiando de fase, así como de emplazamiento, a lo largo de un ciclo cerrado.

En esta dinámica general de la distribución del agua en el planeta terrestre influyen de modo importante las diversas clases de precipitaciones que constituyen, en esencia, un modo de interacción entre la atmósfera y la hidrosfera. Dichas precipitaciones pueden clasificarse según el modo mediante el que se producen, lo que lleva a distinguir entre las clases convectivas, frontales, orográficas y de convergencia.

También se identifican según su naturaleza, en virtud de lo cual se llaman lluvia, nieve, granizo, niebla, rocío y escarcha. No obstante, antes de ahondar en las características de cada una de estas clases conviene estudiar el ciclo del agua desde un punto de vista general.

El ciclo del agua

Se llama ciclo del agua, o ciclo hidrológico, al proceso continuado de circulación del agua de unas partes a otras de la Tierra. En su forma líquida, una parte del agua de la corteza terrestre se almacena en el subsuelo y en cursos fluviales como los ríos, los lagos y los embalses, mientras que otra parte configura las masas oceánicas. Una porción de esta agua sufre un proceso de evaporación mediante el cual pasa a la atmósfera en forma de vapor de agua. Cuando la concentración de vapor en la atmósfera alcanza el grado de condensación, se producen precipitaciones de lluvia, nieve o granizo. Una parte del agua que de nuevo cae a la Tierra es filtrada por el subsuelo y otra parte vuelve a acumularse en lagos, ríos y océanos, desde donde, una vez más, recomienza el ciclo. La figura 2 muestra un esquema de las fases de dicho ciclo.

El ciclo del agua. Parte del agua de los mares (a), los lagos (b), los ríos (c) y el subsuelo (d) se evapora y pasa a la atmósfera en forma de vapor de agua; allí se condensa y origina las nubes (e), que, a través de las precipitaciones (f), devuelven el agua a la Tierra y a los océanos.

La cantidad total del agua que participa es constante, lo que permite que el ciclo sea estable. Esto quiere decir que la cantidad de agua que se encuentra en los océanos, en la atmósfera, en los polos y en todos los demás emplazamientos donde tiene la posibilidad de almacenarse es siempre la misma. Ello no impide que se produzcan variaciones importantes, tanto temporales como geográficas, en el modo en que se distribuye esta agua, lo que da lugar a sequías e incluso a épocas de glaciación.

Se conoce por balance hidráulico la diferencia entre el agua que entra en un medio determinado, por precipitación o deshielo, y el agua que sale del mismo, por evaporación. Los medios donde se puede efectuar un balance son muy diferentes. Puede tratarse, por ejemplo, de un país, de una región del mismo, de una cuenca hidrográfica o de un tramo de río.

Si se considera como medio al conjunto del planeta, la diferencia del balance es nulo: la cantidad de agua que entra es la misma que la de agua que sale. No obstante, si el balance se limita a los océanos, éste resulta negativo: se evapora más agua de la que luego es devuelta mediante precipitaciones.

En los continentes, el resultado es el opuesto, por lo que el balance es positivo: se precipita más agua de la que se evapora. La diferencia entre los dos medios se compensa a través de los ríos y las aguas subterráneas, que devuelven al mar el exceso de agua de los continentes.

El intervalo de tiempo en que el agua permanece almacenada en un lugar recibe el nombre de tiempo de residencia. Este periodo varía desde los 37.000 años que una molécula de agua puede permanecer en el océano antes de evaporarse, hasta los diez días que suele estar en la atmósfera antes de precipitarse sobre la superficie en forma de lluvia o nieve. En el caso de los ríos, éstos renuevan totalmente su agua en un espacio de tiempo que ronda los 16 días.

Se considera que los ríos renuevan su agua por completo en un periodo de tiempo aproximado de 16 días.

Las aguas almacenadas en acuíferos subterráneos, en especial los muy profundos, pueden permanecer inmóviles durante largos periodos, de incluso miles de años. Por tal razón, dichas aguas se denominan fósiles y su explotación debe realizarse con gran cuidado, ya que se trata de un recurso no renovable.

Desde el punto de vista de interés para el ser humano, el ciclo hidrológico posee una enorme importancia. Gracias a él se ven renovados los recursos de agua potable disponibles. Además, la renovación realizada por el ciclo no es sólo cuantitativa, sino también cualitativa, dado que contribuye a eliminar, en parte, las impurezas presentes en el agua.

Procesos del ciclo

El ciclo hidrológico está compuesto por una serie de procesos de naturaleza muy diferente pero dependientes unos de otros. Tales son la evaporación, la precipitación, la infiltración y la escorrentía.

Evaporación. Se llama evaporación el proceso por el cual tanto el agua de los océanos como la situada en las zonas continentales –lagos, embalses, ríos, etc.– se calienta por la radiación solar, pasando de fase líquida a vapor. Este vapor entra así a formar parte de la atmósfera.

La mitad de la energía aportada por el Sol como radiación es consumida en el proceso de evaporación. Si no ocurriera así, toda esa energía se emplearía en calentar la atmósfera y, en consecuencia, la temperatura media en el planeta sería muy superior a la existente.

Por otro lado, una parte del vapor de agua presente en el aire procede de los seres vivos como resultado del proceso de transpiración. Las plantas son los organismos que contribuyen en mayor medida a este aporte. A través de sus raíces toman el agua del suelo, la cual sube a lo largo del tallo y se exuda por medio de las hojas.

La transpiración de las plantas sigue un proceso uniforme: el agua es absorbida por la raíz, sube a través del tallo y acaba siendo exudada por las hojas.

En la entrega de vapor de agua a la atmósfera, además de la evaporación se debe incluir la sublimación, o paso del agua en fase sólida (hielo) directamente a fase de vapor. Este proceso tiene lugar en los glaciares y, especialmente, en los polos. En ocasiones no se hace diferencia entre los vapores procedentes del agua de los océanos, del suelo, de los polos y de los seres vivos. Todos ellos se engloban bajo el término de evapotranspiración.

En los mares y océanos, la evaporación depende de factores como la temperatura, la cantidad de vapor de agua en la atmósfera, la velocidad del viento, el grado de salinidad del agua y la medida en que la superficie de agua se halla expuesta a la radiación solar. La evaporación aumenta al mismo tiempo que lo hacen la temperatura y la velocidad del viento. Por el contrario, disminuye cuanto mayor sea la humedad atmosférica y cuanto más elevado sea el grado de salinidad del agua.

La medición de la evaporación de agua en superficies libres, como lagos o lagunas, se realiza con unos aparatos llamados evaporímetros. Anualmente se evaporan en los continentes unos 62.000 km3 de agua, mientras que la evaporación oceánica puede alcanzar los 361.000 km3.

Precipitación. Cuando el vapor de agua presente en la atmósfera alcanza determinado nivel de concentración, se condensa y forma nubes. El vapor pasa a la fase líquida y desciende a la superficie terrestre en forma de lluvia y de rocío.

Cuando la temperatura del aire es además lo bastante baja, la lluvia y el rocío pasan a su vez a la fase sólida, lo que da lugar, respectivamente, a nieve y escarcha. Del total de las precipitaciones de lluvia y nieve el 90 % cae sobre los océanos, y el 10 % restante sobre las zonas continentales.

Infiltración. Una vez que el agua de lluvia ha llegado al suelo, una parte puede filtrarse a través del mismo para quedar recogida en depósitos subterráneos. La proporción del agua infiltrada depende de varios factores. En primer lugar, del grado de permeabilidad que posea el terreno. Para que el agua pueda penetrar en una roca, ésta debe contar con poros, los cuales tienen además que estar comunicados entre sí.

En segundo lugar, esta proporción depende de la inclinación de la superficie, ya que, cuanto mayor sea ésta, el agua tenderá a correr por la pendiente hacia zonas de menor altura, sin tener tiempo para filtrarse. Finalmente, depende de la cantidad de vegetación que exista, pues cuanto mayor sea más será el agua que capte para su nutrición, y menos, por tanto, la que pueda llegar a filtrarse.

Imágenes de tres de los procesos implicados en el ciclo del agua: precipitación (tormenta tropical), infiltración (terreno fértil con considerable permeabilidad) y escorrentía (lengua de glaciar).

Imágenes de tres de los procesos implicados en el ciclo del agua: precipitación (tormenta tropical), infiltración (terreno fértil con considerable permeabilidad) y escorrentía (lengua de glaciar).

Imágenes de tres de los procesos implicados en el ciclo del agua: precipitación (tormenta tropical), infiltración (terreno fértil con considerable permeabilidad) y escorrentía (lengua de glaciar).

La mayoría del agua presente en los continentes es subterránea. Los depósitos de agua subterránea reciben la denominación de acuíferos. En ellos el agua puede permanecer estancada, o bien circular lentamente, impulsada por la fuerza gravitatoria, hacia ríos y lagos, o directamente hacia el mar. Cuando el terreno se encuentra saturado por completo, viéndose superada su capacidad para contener agua, ésta es desplazada hacia la superficie por capilaridad. Este proceso, inverso al de infiltración, se denomina surgencia.

El límite que separa la zona del terreno que se encuentra saturada de agua de la que no lo está es el nivel freático. La posición de este nivel es variable. Puede subir o bajar, dependiendo de las precipitaciones y, en general, de los aportes de agua al suelo.

Escorrentía. El agua de lluvia que llega al suelo y no es absorbida por éste se desliza, por efecto de la gravedad, por la superficie o por ríos y torrentes, siempre hacia zonas de menor altura, hasta que llega al mar. Aproximadamente un tercio del agua que cae en zonas continentales es devuelta al mar a través de los procesos de escorrentía y circulación subterránea. Una parte del agua de escorrentía, y también de la que se filtra en el terreno, proviene de la fusión de la nieve y de los glaciares.

Las aguas de escorrentía suponen una de las principales causas de la erosión del terreno, dado que a su paso arrancan y arrastran diferentes partes del mismo. Como media, cada metro cúbico de agua que llega al mar lleva consigo medio kilogramo de sedimentos. El efecto es más acusado en aquellos terrenos que carecen de cubierta vegetal o donde ésta es escasa, dado que las raíces favorecen la resistencia a la erosión. El ciclo hidrológico contribuye así a la formación y destrucción del paisaje.

El ser humano y el ciclo del agua

Las actividades humanas pueden afectar al ciclo del agua, en la mayoría de los casos de forma nociva. La extracción de agua de ríos y acuíferos subterráneos destinada al consumo de la sociedad representa un consumo importante. El proceso no forma parte del ciclo hidrológico, dado que esta agua posteriormente no se reintegra al mismo.

Existen numerosas formas de alteración del ciclo. El agua empleada con fines sanitarios e industriales, que en ocasiones es vertida a los ríos y los mares sin el debido tratamiento, lleva consigo abundantes residuos contaminantes. El incesante proceso de urbanización contribuye a que el suelo se vuelva cada vez más impermeable, con lo que se dificulta la infiltración del agua hacia los acuíferos. De las enormes cantidades de agua empleadas para el riego de zonas agrícolas, sólo una pequeña parte es devuelta, mediante evapotranspiración, al ciclo.

Algunas actividades humanas ponen en peligro el correcto devenir del ciclo del agua. Una de las más nocivas es el vertido a ríos y mares de residuos contaminantes.

La contaminación de los acuíferos subterráneos es un proceso lento pero de muy graves consecuencias, puesto que también es muy lenta la renovación de sus reservas. Por esta razón, la purificación natural de un acuífero contaminado es un proceso prolongado, a veces incluso imposible. Estas intervenciones negativas traen como consecuencia alteraciones del balance hidrológico en ciertos medios.

Con el fin de reducir los impactos negativos, la sociedad ha comenzado a adoptar una serie de medidas que tienen como objetivo el mejor aprovechamiento de los recursos hídricos. Dichas medidas incluyen sistemas de recolección de rocío, riego por goteo, construcción de presas, rellenado de acuíferos y desalinización de agua marina.

Efectos químicos del ciclo

Durante su paso por las diferentes etapas del ciclo hidrológico, el agua porta consigo una serie de sustancias sólidas y gaseosas en disolución. Algunas de estas sustancias, como el carbono o el nitrógeno, realizan de este modo un ciclo similar al del agua.

Cuando el agua de las precipitaciones se filtra a través del suelo, disuelve a su paso sales minerales. Posteriormente, a medida que el agua subterránea es drenada hacia el mar, las arrastra consigo. En el caso de que se vierta en un lago o un mar interior, y dado que el agua evaporada no contiene sólidos disueltos, las sales quedan retenidas, acumulándose en él. Puede ocurrir también que el agua subterránea ascienda por capilaridad hasta la superficie. Allí se evapora y las sales quedan depositadas formando una capa blanquecina.

Un efecto similar se produce cuando para el riego de zonas agrícolas se emplea agua con elevado contenido salino. Si no se aporta una cantidad suficiente de agua para que las arrastre o el sistema de drenaje es insuficiente, estas sales se acumulan en el suelo, pudiendo llegar a convertirlo en estéril.

Las precipitaciones

Las precipitaciones comprenden la lluvia, la nieve, la niebla, el rocío y la escarcha. Dentro del ciclo hidrológico representan un aporte de agua renovada a los océanos y continentes. Cuando las masas de aire cargado de vapor de agua, resultado del proceso de evaporación, se encuentran con otras secas, el vapor se condensa y se generan las nubes. Si éstas alcanzan el grado de saturación, se forman gotas de agua o cristales de hielo.

Las nubes que sólo contienen agua en fase líquida son conocidas como nubes cálidas; las que contienen hielo se denominan frías. Las nubes siempre poseen un origen marino, dado que es allí donde mayoritariamente tiene lugar la evaporación. La altura a la que se pueden encontrar las nubes es muy variable, desde prácticamente el nivel del suelo –como ocurre con las nieblas– hasta los 10.000 metros.

Nubes de tormenta sobre un paraje tropical. Las nubes tienen un origen marino, pues las grandes masas de agua salada son los lugares donde se produce mayor evaporación.

Independientemente de la fase en que se encuentre el agua (líquida o sólida), las precipitaciones se pueden clasificar en función del modo en que se generan. Las precipitaciones frontales tienen lugar cuando se produce el choque de dos masas de aire a diferente temperatura. Las denominadas convectivas surgen cuando la masa de aire sufre un desplazamiento vertical, como consecuencia generalmente de haberse calentado por haber estado cerca del suelo.

Las precipitaciones de convergencia son el resultado de la elevación de una masa de aire al entrar en contacto con una zona de bajas presiones. Este tipo de precipitaciones es típico de la zona ecuatorial, donde las bajas presiones son predominantes. Por último, las precipitaciones orográficas son las generadas cuando una nube se encuentra durante su desplazamiento con una barrera orográfica, como una cordillera. En el caso de que la nube la remonte, pasa progresivamente por zonas donde el aire es cada vez más frío, lo que contribuye a que el vapor cambie de fase y, por tanto, llueva o nieve.

La medida de las precipitaciones se efectúa calculando los milímetros de altura que alcanzaría desde el suelo el agua de la lluvia suponiendo que nada se filtrara ni se evaporara. Las mediciones se aplican a un determinado periodo de tiempo, por ejemplo un año, y a una cierta zona geográfica. Los aparatos empleados son los pluviómetros y los pluviógrafos, estos últimos utilizados para la medición de precipitaciones intensas que se producen en periodos cortos de tiempo. Se estima que la media anual de precipitaciones en el planeta es de 900 mm.

Lluvia, nieve y granizo

La lluvia se produce cuando las diminutas gotas de agua presentes en el interior de las nubes crecen y se unen entre sí. Al alcanzar un tamaño suficientemente grande son capaces de vencer las corrientes ascendentes de aire, que hasta ese momento las mantenían en suspensión, y caer a tierra. La unión de unas gotas con otras depende de factores como su tensión superficial, su carga eléctrica y el grado de turbulencia del aire.

Cuando las pequeñas gotas de agua que se hallan en el interior de las nubes se agrandan, vencen las corrientes de aire que las mantienen en suspensión y se precipitan a la Tierra en forma de lluvia o de nieve, según la temperatura supere o sea inferior, respectivamente, a los 0 ºC.

Cuando las pequeñas gotas de agua que se hallan en el interior de las nubes se agrandan, vencen las corrientes de aire que las mantienen en suspensión y se precipitan a la Tierra en forma de lluvia o de nieve, según la temperatura supere o sea inferior, respectivamente, a los 0 ºC.

Como norma general, el diámetro de las gotas de lluvia varía entre 0,1 y 5 mm, siendo el valor promedio de 2 mm. En el caso de que el diámetro sea inferior a 0,5 mm, recibe el nombre de llovizna. Cuando no superan los 100 micrómetros de diámetro, las gotas se evaporan antes de alcanzar el suelo. Como norma general, cuanto mayor sea el tamaño de las gotas, más breve será la duración de las precipitaciones, como ocurre con los aguaceros y las tormentas.

Si una masa de aire cargado de humedad llega a una altura donde la temperatura es inferior a 0 °C, comienzan a formarse diminutos cristales de hielo. En presencia de corrientes ascendentes de aire que lleven consigo gotas de agua, éstas se unen a los cristales. De este modo el tamaño del hielo va aumentando, hasta que alcanza unas dimensiones que lo hacen caer.

Durante el descenso hacia la superficie todavía sigue creciendo, al sumarse a él nuevas gotas de agua. Se produce así el granizo. El hielo puede llegar a alcanzar varios centímetros de diámetro. En este caso pasa a denominarse pedrisco, el cual posee un alto poder destructivo. Aunque las precipitaciones de pedrisco son breves, de apenas unos minutos, y afectan sólo a áreas de escasos kilómetros cuadrados, pueden destrozar cosechas y producir daños en construcciones.

En el caso de que la masa de aire húmedo se encuentre a temperaturas inferiores a 0 °C y no existan corrientes de aire que aporten más agua, los cristales de hielo se unen entre sí. El resultado de esta unión son los copos de nieve, que adquieren formas geométricas muy bellas y variadas.

Niebla, rocío y escarcha

La niebla es una formación nubosa que aparece en zonas próximas al suelo cuando éste se encuentra frío y el aire cargado de vapor. Ocurre también, con mayor frecuencia que en tierra, sobre la superficie del mar, para lo cual su agua debe estar a más baja temperatura que el aire.

Las nubes que se sitúan muy cerca de un suelo frío y con un aire cargado de vapor conforman la niebla.

La clasificación de los tipos de niebla se efectúa basándose en el grado de visibilidad que cada uno de ellos permite. En la niebla propiamente dicha, la visibilidad en dirección horizontal es inferior a 1 km; para la neblina, entre 1 y 2 km, y para la bruma, entre 2 y 4 km.

El rocío se genera cuando el aire húmedo entra en contacto con el suelo, más frío que él. Entonces tiene lugar una condensación sobre la superficie, depositándose en ella una fina capa de agua. Si la temperatura es próxima a 0 °C se produce rocío. Si la temperatura es inferior, el agua en fase vapor pasa directamente a la fase sólida y lo que se produce es escarcha.

Distribución temporal y geográfica de las precipitaciones

La frecuencia de las precipitaciones sobre una zona geográfica determinada no es constante. Existen importantes variaciones de unas épocas del año a otras, con unos meses secos y otros en los que las precipitaciones son abundantes. La distribución a lo largo del año de las precipitaciones difiere enormemente de unas zonas del planeta a otras.

Según esta distribución, se determina para cada lugar el llamado año hidrológico, el cual representa la variación estacional de las precipitaciones. Existen además variaciones plurianuales en la frecuencia, correspondientes a fenómenos climáticos de alcance global, como es El Niño.

Las precipitaciones anuales sobre los océanos dependen de la superficie oceánica. Como consecuencia, las más abundantes se producen sobre el Pacífico. En cada caso existe una variación dependiente de la latitud. En todos los océanos, las precipitaciones son mayores en las zonas subecuatoriales, mientras que disminuyen a medida que la latitud aumenta tanto hacia el norte como hacia el sur.

Un simple vistazo a la geografía de los continentes es suficiente para apreciar que las precipitaciones no se producen por igual en todos los lugares. Mientras que en las junglas las lluvias son habituales y pueden alcanzar una intensidad torrencial, en vastas zonas, como los desiertos, apenas se recogen unos pocos milímetros de agua al cabo del año.

En las zonas montañosas suele abundar la lluvia o la nieve, pues, al ser allí el aire más frío, se favorece la condensación de las nubes.

El principal motivo de esta distribución desigual es la orografía. En los terrenos elevados el aire se encuentra más frío, lo que hace que la humedad de las nubes se condense. Otros factores condicionantes de las precipitaciones están relacionados con el clima, como el grado de radiación solar recibida y la distribución de los vientos.

Las zonas más húmedas del planeta son las ubicadas entre los trópicos. Las zonas secas, por el contrario, son las que se encuentran al norte y al sur de los trópicos. Es en estas franjas secas de la Tierra donde está la mayor parte de los desiertos. Los círculos polares, donde se almacena casi el 80 % del total de agua dulce, son también zonas muy secas, en las que muy raras veces se producen precipitaciones.