La acidificación de los océanos

El Cambio Climático es real y es un problema medioambiental, pero es un problema del que todavía desconocemos muchas cosas que hacen que debamos ser cautelosos con él. Cuáles son sus causas, en qué medida el ser humano es responsable o qué podemos esperar para un futuro a corto y largo plazo son cuestiones que, aunque muchos respondan a la ligera, en realidad debemos admitir que no conocemos la respuesta. En este blog ya hemos visto cómo los cambios climáticos son nuestro pan de cada día, ocurren constantemente a diferentes escalas temporales y en algunos casos han sido imprescindibles para que el planeta sea como lo es hoy en día. También hemos visto que sin gases invernadero en la atmósfera la vida que existe en la Tierra no sería posible y que en contra de lo que solemos oír su origen es fundamentalmente natural. O que los actuales 400 ppm de CO2 atmosférico distan mucho de los 700-2.000 ppm que se estiman para el Eoceno, mucho antes de que apareciera el primer homínido en el planeta y por tanto imposible de encontrarle un origen humano. En esta entrada vamos a seguir desglosando lo que creemos saber sobre el Cambio Climático actual centrándonos en otro de los efectos secundarios que tanto preocupan: la acidificación de los océanos, por qué la subida del CO2 atmosférico la produce y qué consecuencias puede tener para la biosfera marina.

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Los corales son animales que segregan un esqueleto de carbonato cálcico que permite el desarrollo de extensos e importantes arrecifes en zonas tropicales (fuente: haikudeck.com)

Los ácidos, cuando el pH baja de 7

Todos sabemos que el vinagre o el limón son ácidos y sin embargo cuando oímos hablar de ácidos solemos pensar inmediatamente en una sustancia que corroe todo lo que se encuentra por su camino y que normalmente libera en el proceso una especie de humillo. Pero esa imagen es la que nos ha dado el cine, especialmente memorable es la sangre de xenomorfo de la saga Alien (imagen de abajo), pero es una imagen que no se corresponde con la realidad, al menos no del todo. Por ello antes de hablar de la acidificación de los océanos conviene asentar unas bases y dejar claro qué es en realidad un ácido y qué no lo es. El concepto de ácido ha variado con las décadas, pero actualmente podemos afirmar que, en líneas generales, un ácido es una sustancia que tiende a ceder protones y que se opone al concepto de base, que es una sustancia que tiende a captar protones. Esta sencilla definición se complica un poco cuando vemos que una sustancia puede actuar como ácido en unas circunstancias y como base en otras, lo que en realidad es debido simplemente a que el hecho de que ceda o capte protones va a depender de la fuerza que tenga para hacerlo tanto ella como la otra sustancia con la que reacciona, igual que dos personas que tiran de una misma cuerda desde sus extremos pueden ganar o perder dependiendo de la fuerza del rival. Lo mismo pasa con las sustancias químicas al ceder o captar protones, por lo que necesitamos poner un límite objetivo de qué es un ácido y qué es una base, y ahí es donde entra el concepto de pH.

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Fotograma de la película Alien, el octavo pasajero (Rildey Scott, 1979), donde vemos los daños provocados por la sangre ácida de la famosa criatura

El potencial de hidrogeniones (pH) es la medida de la concentración de cationes de hidrógeno (hidrogeniones o protones) que tiene una sustancia en disolución, una manera de saber la acidez y por tanto también la alcalinidad, dado que ambos conceptos, a pesar de ser opuestos, hacen referencia a lo mismo. El valor de pH se obtiene mediante un simple cálculo matemático que no voy a describir aquí y es siempre un número comprendido entre 0 y 14, con decimales o sin ellos. De esta forma la escala del pH, que es logarítmica, nos sirve para distinguir los ácidos (pH<7), las bases (pH>7) y las sustancias neutras (pH=7), pero no solo eso, ya que cuanto más bajo sea el valor más ácida será una sustancia y cuanto más alto sea más básica o alcalina. Por tanto el pH es una herramienta muy útil para saber cómo es una sustancia en disolución (muy importante este detalle), pero sería muy costoso si tuviéramos que analizar siempre la concentración de hidrogeniones y después hacer el cálculo matemático. Por ello hay instrumentos que nos dan el resultado numérico a partir de la diferencia de potencial que miden entre dos electrodos (potenciómetros), o si lo preferimos también podemos conocer el pH mediante indicadores que usan un código de colores concreto, el más empleado sin duda es el del papel tornasol (imagen de abajo).

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Código de colores del papel tornasol para medir la acidez/alcalinidad de un medio (imagen propia)

Ahora ya sabemos qué es un ácido y qué es una base, también en qué consiste eso que tanto oímos de pH neutro y que se suele emplear mal, ya que si nos fijamos, muchos de esos productos supuestamente neutros tienen un pH que no es 7 (se los define así por tener un valor similar al que tiene la piel, por ejemplo). Pero volviendo a los ácidos, como ya hemos dicho tanto el vinagre y el limón son ácidos que ingerimos, pero no son los únicos. Los cítricos como el limón y la naranja tienen un componente que por encontrarse en ellos ha sido denominado como ácido cítrico (pH 3’2), y el vinagre es una sustancia que contiene una concentración de 3-5% de ácido acético (pH 4’8) mezclado con otros ácidos en concentraciones menores como son el ácido tartárico (pH 2’5) y de nuevo el ácido cítrico. Esto nos hace ver que los ácidos no tienen por qué ser peligrosos ni ser corrosivos, de hecho muchos nos son beneficiosos, como es el caso del ácido clorhídrico (pH 1), componente fundamental de los jugos gástricos que permiten que podamos digerir lo que comemos. Incluso las hormigas usan un ácido, el llamado ácido fórmico (pH 3’8), para defenderse. Porque el mundo de los ácidos es mucho más complejo y variado de lo que solemos considerar.

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La hormiga roja de la madera puede disparar ácido fórmico a 20 cm de distancia para cazar a sus presas (fuentre: Discovery Channel España)

El ciclo del carbono en el agua del mar

Cuando hablamos del CO2 vimos que el ciclo del carbono está constituido por cinco reservorios (biosfera, atmósfera, litosfera, océano profundo y océano superficial) y que, dejando de lado la litosfera, el océano profundo es el que más carbono acumula. También vimos que el CO2 del océano superficial está en equilibrio con la atmósfera y que pasa de uno a otro en función de tres parámetros que son la temperatura (a menor temperatura mayor solubilidad), la presión (a mayor presión mayor solubilidad) y la alcalinidad (a menor acidez, o mayor alcalinidad, mayor solubilidad). Como veis hablamos constantemente de solubilidad del CO2, pero en lo que no hemos entrado hasta ahora es en que el CO2 solo es la primera fase del ciclo del carbono en el océano, en el que hay implicadas otras especies químicas que veremos a continuación.

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El ciclo biogeoquímico del carbono con las toneladas de carbono que hay de media en cada reservorio (fuente: wikipedia.org)

El CO2 atmosférico, cuando entra en el océano superficial, pasa de ser un gas a una especie disuelta a la que llamamos CO2 (aq), la cual a su vez interactúa con el agua del mar siguiendo una simple reacción química para dar ácido carbónico (pH 6’4). Pero esto no ocurre con todo el CO2 que llega de la atmósfera, ya que la mayoría de carbono inorgánico que tenemos en el océano lo encontramos como CO2 (aq) y sólo una pequeña parte lo hace como ácido carbónico. Pero resulta que el ácido carbónico es un ácido débil que se disocia con relativa facilidad para dar el ión bicarbonato o hidrógenocarbonato, que a su vez se disocia de nuevo para dar el ión carbonato, liberando al medio en ambas disociaciones hidrogeniones o protones, que son los que marcan el pH (van a producir una acidificación). Pero estas reacciones se producen en equilibrio, es decir, según las condiciones del medio van a migrar hacia la formación de ión carbonato, que utilizarán los organismos para construir sus conchas de calcita o aragonito (formas naturales de carbonato cálcico), o hacia la formación de CO2, que podría a su vez escapar a la atmósfera en forma de CO2 gas. Es por este motivo por el que se suela decir que en la actualidad los océanos actúan como sumideros de CO2, porque aún no se han saturado en él, pero si cambian las condiciones, concretamente los parámetros que controlan su solubilidad, esta reacción podría invertirse y los océanos actuar como emisores, una situación sin duda peligrosa dado el estado del Sistema Climático global.

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Reacciones químicas que implican un proceso de acidificación del agua a partir del dióxido de carbono disuelto (imagen propia)

Acidificación por presencia de otras sustancias

El CO2 es un gas muy importante en la acidificación de los océanos a escala global, pero me gustaría tratar otros gases cuya presencia también puede hacer que las aguas bajen su pH. Las emanaciones de gases volcánicos son una de esas otras fuentes naturales de acidificación de las aguas porque son ricos en varios compuestos como son los óxidos de nitrógeno y los óxidos de azufre, que al reaccionar con el agua producen respectivamente ácido nítrico (pH 1’4) y ácido sulfúrico (pH 2), los componentes principales de la llamada lluvia ácida. Pero es que además estos gases también tienen entre sus componentes ácidos volátiles que con solo su presencia van a influir en la acidez de las aguas, como son el ácido fluorhídrico (pH 3’2), el ácido sulfhídrico (pH 6’9), el ácido clorhídrico (pH 1) o el ácido bromhídrico (pH 0’9). Las emanaciones de gases volcánicos es un asunto serio y uno de los motivos por los que no es aconsejable acercarse jamás a una lava sin taparse las vías respiratorias (el calor evidentemente es otro), pero también de que al acercarse a un volcán activo haya que tomar una serie de medidas de seguridad aun cuando no está en erupción.

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Las emisiones volcánicas son una de las principales fuentes de emisión de sustancias ácidas que producen acidificación de las aguas (flanco del Kilauea, en Hawai, entre el Pu’u O’o y la costa (fuente: sandatlas.org)

Otra fuente de acidificación de aguas naturales la encontramos en las zonas pantanosas, cuyas aguas tienen una acidez muy elevada en parte porque algunos de los gases que resultan de la descomposición de la materia orgánica son ácidos volátiles como los que ya hemos visto dentro de las emanaciones volcánicas. Y dentro de ellos el que destaca por encima del resto es el ácido sulfhídrico, que tiene un olor característico muy desagradable, a huevos podridos, que es en parte el que cause que las zonas pantanosas tengan tan mal olor. También en estas aguas tenemos azufre y óxidos de azufre que de nuevo reaccionan con el agua y producen una acidificación importante, el primero porque puede combinarse con el agua para dar ácido sulfhídrico y los segundos porque otra vez estaríamos ante la formación de ácido sulfúrico. Pero quizás lo que más nos interese en este caso es que las zonas pantanosas son el lugar de origen del carbón, por lo que su combustión (también la de los derivados del petróleo) va a liberar algunas de estas sustancias ácidas al medio que van a producir fenómenos como la ya mencionada lluvia ácida o el smog (niebla contaminante que aparece en muchas ciudades y que irrita las vías respiratorias).

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En los pantanos se emiten importantes cantidades de gases, algunos de los cuales reaccionan con el agua y dan varias sustancias ácidas (fuente: estudiosdeco.com)

Por último vamos a ver una fuente que es natural y a la vez no lo es. El drenaje ácido es un fenómeno natural de gran impacto en aguas continentales como ríos o lagos porque produce un gran aumento de su acidez (pH<4). Su causa está en la exposición de sulfuros metálicos a la acción oxidante del aire o del agua, de manera que al oxidarse estos minerales se disocian y liberan una gran cantidad de hidrogeniones al medio. El drenaje ácido se produce a un ritmo más o menos rápido en función de varios factores, entre ellos la humedad o la presencia de sulfuros que estén expuestos, y se ve favorecido además por el descenso del pH, lo que hace que sea tan difícil remediarlo. ¿Pero qué ocurre si nosotros somos los causantes de que esos minerales queden expuestos, por ejemplo a partir de su explotación minera y su posterior abandono en escombreras o en balsas? En ese caso, dado que se produce por acción humana, el fenómeno deja de ser natural y recibe el nombre de drenaje ácido de minas (DAM), uno de los mayores problemas contaminantes de las antiguas áreas mineras, como ocurre en La Faja Pirítica Ibérica. Independientemente de que la exposición de los sulfuros sea por acción natural o por acción humana, las aguas con drenaje ácido son muy impactantes porque normalmente las vemos con colores rojos, aunque en muchos casos eso solo es una ilusión, ya que a veces el agua es cristalina y solo el fondo tiene una pátina de óxidos rojizos que nos dan la idea de que es el agua el que tiene esa coloración.

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El Drenaje Ácido es un fenómeno natural en muchos casos agravado por las actividades mineras sin control del pasado ((imagen tomada de artículoscientiíficos.wordpress.com)

Consecuencias de la acidificación en la vida marina

La acidez de las aguas es un fenómeno de gran impacto por muchos factores. Si hablamos del agua del océano por aumento de CO2 sus implicaciones son cruciales para todos los organismos de conchas carbonatadas. Estos organismos toman el ión carbonato disuelto en el agua para constituirlas porque el océano está sobresaturado en este ión, pero si el pH baja, la solubilidad del CO2 disminuye y eso significará que haya menos ión disponible, además de que la reacción se desplazaría hacia la formación de CO2 gas. De esta manera, los organismos como los cocolitofóridos o los foraminíferos, que son organismos microscópicos de concha carbonatada que forman parte del plancton marino y que por tanto son la base de la cadena trófica del mar, tendrán problemas para constituir sus conchas, que serán más blandas y tenderán a disolverse con más facilidad. Pero es que además los corales, bioconstructores que en los mares y océanos actuales son los principales responsables de los arrecifes de las zonas tropicales, tienen un simbionte fotosintético que es el que les da el color que apreciamos, y da la casualidad que este simbionte es especialmente sensible a los cambios ambientales, entre ellos a los cambios de pH. Por ello siempre se dice que un aumento en la acidez de las aguas tiene como consecuencia el llamado blanqueo del coral, que lleva a la muerte al animal, pero no debemos olvidar que en realidad la acidificación no es su única causa.

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La muerte de las zooxantelas, organismos endosimbiontes de los corales formadores de arrecifes, es la causa del denominado blanqueo del coral (fuente: chrismielost.blogspot.com.es)

Por su parte, las aguas continentales ácidas, como las que resultan del drenaje ácido, tienen un pH tan bajo que prácticamente es imposible que en ellas vivan peces, aunque en algunos casos se han visto ranas y otros animales disfrutando de su acidez, incluso el ganado la bebe en algunos casos sin mayores problemas. No obstante existen algunas bacterias que catalizan la reacción de oxidación de los sulfuros metálicos para aprovecharse de la energía liberada en el proceso: las bacterias acidófilas y oxidantes del hierro. También existen algas que precisamente buscan estas condiciones para prosperar, lo que nos recuerda que ninguna opción es ignorada por la vida del planeta.

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Las aguas rojas de Ríotinto no son un fenómeno de contaminación, ya que en muchos casos es una apreciación errónea debida a los óxidos de hierro que tapizan el fondo (fuente: desconocido)

Consideraciones finales

La acidificación del agua es un fenómeno natural que no tiene por qué estar relacionado con un ascenso del CO2 atmosférico. Sin embargo, lo que conocemos como la acidificación de los océanos sí lo está y, aunque de nuevo estemos ante un fenómeno natural, actividades humanas como la quema de combustibles fósiles lo han agravado y han hecho que empiece a ser un problema a escala global. Las estimaciones realizadas por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) para el resumen de 2013 hablan de un aumento del 26% en la concentración de hidrogeniones desde el comienzo de la era industrial, lo que supondría un descenso del pH en 0’1 que de cara al futuro podría subir hasta el 0’31 según la estimación del escenario más pesimista que consideran (imagen de abajo). Estos valores no parecen ser muy excesivos cuando tenemos en cuenta que el pH oscila entre 0 y 14, pero son suficientes para que el aragonito sea inestable en las aguas de mar y se disuelva, lo que tendría muy graves consecuencias para los organismos de concha aragonítica. No obstante, el océano seguirá actuando como sumidero de CO2 hasta al menos el año 2100, si bien todo apunta a que la acumulación de carbono será mucho menor en los mares tropicales que lo que lo es en la actualidad.

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Series temporales y estimaciones sobre el pH de la superficie del océano global hasta 2100 según diferentes escenarios considerados por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático para el informe de 2013

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