D. Alfredo Surroca Carrascosa. 6 ORIGEN DE LOS MARES, COMO APARECIÓ AGUA EN LA TIERRA. Físico e Investigador.

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1 D. Alfredo Surroca Carrascosa. Físico e Investigador. 6 ORIGEN DE LOS MARES, COMO APARECIÓ AGUA EN LA TIERRA D. Alfredo Surroca Carrascosa Físico e Investigador Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid. Ha desarrollado su actividad profesional en el campo de la física del estado sólido y de la telecomunicaciones en Francia, Italia, España, USA y Japón. Principales funciones ejercidas anteriormente: Director Telettra Española SA. Director de Amper SA. Director de Fujitsu España SA. Asesor de Naciones Unidas para el desarrollo de las telecomunicaciones en Centroamérica. En la actualidad ejerce principalmente las siguientes funciones Presidente de la Comisión de Cultura de la Real Liga Naval Española. Miembro numerario de la Real Sociedad Geográfica. Miembro numerario de la Real Sociedad Española de Física. Miembro numerario de la Real Academia Española de la Mar. Vicedelegado en Madrid de la Real Asamblea de Capitanes de Yate. Abogado en ejercicio y miembro del Ilustre Colegio de Abogados de Madrid. 1. INTRODUCCIÓN Hace poco más de 50 años, la cosmología era una ciencia con gran contenido imaginativo e importantes dificultades de verificación experimental, por lo que el principio medieval del magíster dixit no había desaparecido totalmente. La aportaciones de Henrietta Lewit y Edwin Hubble en primer lugar y las de Penzias y Wilson posteriormente, han sido piezas claves para que la cosmología pasara a ser una ciencia con considerable contenido experimental. La geofísica, se ha beneficiado en gran medida de esta evolución y está permitiendo que se lleven a cabo estudios rigurosos basados en la observación y en la experimentación que son los pilares fundamentales para el desarrollo científico. La determinación del origen del agua de nuestro planeta Tierra es uno de esos estudios. 2. El AGUA Como es bien conocido, la molécula de agua está formada por la unión de dos átomos de hidrógeno y uno de oxigeno. Las características del agua son realmente excepcionales: es un disolvente casi universal, tiene una elevado calor específico, las tres fases: líquida, sólida y gaseosa, se pueden presentar simultáneamente, la densidad máxima aparece en estado líquido a 4 ºC, es muy poco compresible, etc. El agua, y particularmente el agua líquida, es elemento clave para toda forma de vida compleja como es la que se basa en la química del carbono. El agua no sólo representa un elevado porcentaje del peso 160 XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 161

2 de los cuerpos vivos, más del 60 % en el caso del ser humano, sino que es necesaria para el desarrollo de todas las reacciones químicas del proceso vital. Esta es la razón por la que la presencia de agua líquida se asocia, normalmente, a la existencia de vida. El agua en el planeta Tierra contiene en su seno una gran variedad de elementos. Alguno de ellos se encuentran en estado molecular como cloro, sodio, oxigeno, etc., otros aparecen en forma disociada como los iones oxígeno, hidrógeno, el grupo oxidrilo, etc, otros en forma isotópica como el deuterio 2 H, el oxigeno 18 O y otros en forma molecular isotópica como es el agua pesada D 2 O. En el desarrollo de este estudio interesa particularmente la presencia en el agua de estos dos últimos componentes: el deuterio, que es el átomo de hidrógeno con dos nucleones (un protón y un neutrón) y la molécula de agua pesada que es la molécula de agua con idéntica formulación que el agua normal esto es, H 2 O, pero formada con deuterio en vez de hidrógeno. El peso molecular será entonces = 20 en vez de = 18 que es el peso molecular del agua normal, lo que supone un incremento de densidad del orden del 10%. El interés del deuterio en relación con el origen del agua terrestre, radica en tres particularidades: una de ellas es que el contenido de deuterio en relación con el hidrógeno en el agua de la de la Tierra es prácticamente constante, del orden de 1,5 x 10-4 (0,015%), lo que equivale aproximadamente a una pequeña gota de agua pesada por cada litro de agua normal. Otra particularidad es que, como ocurre con los átomos de hidrógeno, la cantidad de átomos de deuterio existentes en el universo fue la generada en los primeros segundos tras la gran explosión sin que, desde entonces, se haya producido ningún fenómeno capaz de crear nuevo deuterio suplementario. Por último, dada la mayor estabilidad del agua pesada respecto del agua normal, tras los ciclos de evaporación solidificación, etc. que esta haya podido sufrir, la proporción de agua pesada respecto del agua normal debiera mantenerse constante o, a lo sumo, podría incrementarse. Pero en ningún caso disminuir. Idéntica consideración cabría hacer, obviamente, respecto del deuterio e hidrógeno. Antes de examinar las teorías del origen del agua en el planeta Tierra conviene examinar su aparición en dos estadios superiores: a escala universal y en el sistema solar El agua en el universo En los primeros 200 segundos después de la gran explosión, hace unos millones de años, tuvo lugar una actividad de nucleosíntesis es decir de formación por síntesis de los elementos químicos. Pero en esta fase, conocida como nucleosíntesis primigenia, sólo se sintetizaron el hidrógeno (un protón), sus isótopos deuterio (un protón y un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones), el helio (dos protones y dos neutrones) y, quizás, trazas de litio. Nunca más se darían en el Universo las condiciones necesarias de presión, temperatura, confinamiento, etc. para que se volviera sintetizar el hidrogeno y el deuterio. El deuterio es un átomo estable pero no así el tritio que es radiactivo con una vida media de unos 12 años. Así pues, de los elementos producidos en aquella época de la gran explosión, sólo permanecen en el Universo hidrógeno, deuterio y helio. Puede parecer que la síntesis de elementos producida en estos primeros instantes fue escasa, pues sólo generó estos tres tipos de átomos, pero no debemos olvidar que el Universo, en la actualidad, sigue constituido casi exclusivamente por hidrógeno, por lo que puede afirmarse sin riesgo de caer en exageración, que casi todo el material que hoy existe en el Universo se creó en los primeros segundos de su vida. Pero el inicial proceso de nucleosíntesis se bloqueó tras la formación del helio sin poder progresar más allá de átomos con núcleos de cuatro nucleones. Gamov creyó, equivocadamente, que este proceso de síntesis podría progresar ininterrumpidamente de forma que añadiendo protones o neutrones de uno en uno se lograría la síntesis de todos los elementos de la tabla periódica, desde el Hidrógeno hasta el Uranio. Pero la realidad no es así, en efecto, la estabilidad del helio es tan grande que su tendencia a aceptar un protón o un neutrón es prácticamente nula. La hipotética recepción en su núcleo de un neutrón para generar el isótopo Helio 5 duraría menos de una millonésima de trillonésima de segundo (10-21 seg.), tiempo durante el cual el núcleo expulsaría el neutrón y volvería a ser helio 4. Si la hipotética anexión fuera de un protón, lo que daría lugar al isótopo litio 5, la desintegración en helio 4 sería todavía más rápida. La primera conclusión que se puede extraer de este bloqueo es que, inicialmente, toda la materia del Universo estuvo constituida, única y exclusivamente por los dos elementos químicos más simples que existen: hidrógeno y helio. 162 XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 163

3 La fase siguiente en la evolución del universo fue la formación de estrellas de primera generación que, obviamente, se formaron con la concentración del único material existente, H y He. De acuerdo con la teoría comúnmente aceptada, las primeras estrellas se formaron mediante un proceso de acreción, formación de planetesimales y atracción gravitatoria mediante el cual, conforme aumentaba la acreción de átomos de hidrógeno, aumentaba la fuerza de la gravedad que a su vez aumentaba la acreción. Con este proceso se incrementaba progresivamente la temperatura hasta que alcanzó un valor en torno a los 100 millones de grados y se dieron las condiciones suficientes para el inicio de la fusión nuclear por la que dos átomos de hidrógeno se unen formando helio y desprendiendo energía. Esta reacción nuclear, que es la que se produce en todas las estrellas incluido nuestro Sol, produjo a su vez una gran elevación de temperatura y una fuerza expansiva que permitió lograr un equilibrio con la fuerza gravitatoria. Nace así una estrella estable de primera generación, compuesta exclusivamente por hidrógeno y helio y que mantiene su equilibrio térmico y mecánico gracias al combustible hidrógeno. La duración de la vida de la estrella vendrá marcada por el tiempo que tarde en consumir este combustible. Una vez que empiece a fallar el combustible, la fuerza gravitatoria volverá a adueñarse de la situación, reiniciándose la contracción hasta que sobrevenga el fin de la estrella, su colapso y explosión. Parece lógico pensar que durante todo el proceso de formación estelar y durante la vida de las estrellas de primera generación siguieron presentes en el universo sólo los dos elementos citados: el hidrógeno y el helio. Este periodo podría estimarse en miles de millones de años. En efecto, si tomamos como ejemplo nuestro Sol, el tiempo en formarse las estrellas hasta la ignición de la fusión nuclear, más el tiempo de vida media de las estrellas fue probablemente superior a los millones de años y quizás superior a los millones. Durante este periodo sólo hubo en el universo hidrógeno y helio sin presencia de otros elementos como el oxígeno. La existencia del agua requiere el cumplimiento de una condición necesaria, esto es, la presencia del oxígeno, cuya aparición, según se admite en la actualidad, sobrevino en otro proceso de nucleosíntesis realizado en momento muy posterior. En la explosión de las primigenias estrellas cuando se colapsaron al final de su vida. En la actualidad, se tiene la convicción de que la síntesis de los restantes elementos simples hasta el hierro, (52 nucleones), se produjo en la explosión de las estrellas novas. No existiendo oxigeno en ese dilatado periodo puede concluirse que durante las ¾ partes de la vida del Universo, en ninguna parte del mismo hubo agua, ni líquida ni sólida ni gaseosa. Simplemente porque no se había producido la síntesis del oxígeno. Lógicamente, tampoco hubo, durante ese dilatado periodo, la posibilidad de vida compatible con el oxígeno ni tampoco hubo planetas de los llamados rocosos o terráqueos, como la Tierra, porque no existían elementos constitutivos de rocas. Sólo había hidrógeno que podía presentarse en forma gaseosa o líquida a -253 ºC o sólida a -269 ºC y helio en forma gaseosa. 2.2 El a g u a en el Si s te m a So l a r Las nebulosas son regiones del medio interestelar constituidas por gases principalmente hidrógeno y helio. Tienen una importancia cosmológica notable porque son los lugares donde nacen las estrellas por fenómenos de condensación y agregación de la materia y, frecuentemente, son los restos de viejas estrella que han muerto. La nebulosa Trifida se encuentra a una distancia de entre 2000 y 6000 años luz. El color rojo es causado por la ionización del hidrógeno a cargo de la radiación ultravioleta. La nebulosa de Orión es una de las nebulosas más brillantes que existen. Está situada a años luz de la Tierra y posee un diámetro aproximado de 24 años luz. De ella se ha obtenido información determinante acerca de la formación de estrellas y planetas a partir de nubes de polvo y gas en colisión. En las nebulosas producidas por la explosión de estrellas novas o supernovas ya se puede contar con la presencia de todos los elementos químicos incluido el oxígeno y muchos de sus compuestos tales como el agua. Fue precisamente con este material con el que se creó la segunda generación de estrellas, a la que pertenecen el Sol y la casi totalidad de las estrellas de la Vía Láctea. La hipótesis del disco de acreción es esencial para explicar la razón por la que la estrella y los planetas residen en órbitas situadas prácticamente en el mismo plano. 164 XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 165

4 Varias teorías y en particular la que se basa en la distribución del momento angular en el sistema solar muestran que la formación del Sol y de los planetas fue simultánea e independiente. La materia de la que están formados los planetas nunca perteneció al Sol ni, por consiguiente, pudo ser eyectada por éste. Nebulosa Trífida (izquierda) y Nebulosa de Orión (derecha). Parece oportuno presentar los tamaños relativos de los ocho planetas del sistema solar para verificar que, a la vista de sus dimensiones, se pueden agrupar en dos familias claramente diferenciadas. Los cuatro primeros por orden de proximidad al Sol, notablemente pequeños, que por su débil fuerza de la gravedad no pudieron mantener en su superficie el hidrógeno gaseoso sino sólo el material más denso y pesado. A estos cuatro planetas que, contrariamente a lo que sucede en general en el Universo, apenas tienen hidrógeno, se les llama terráqueos o rocosos. Los cuatro segundos son mucho más grandes, con fuerza de gravedad elevada que les ha permitido retener el gas hidrógeno. Se les llama planetas jovianos o gaseosos. Disco de acreción. A continuación se examinan, brevemente, la presencia del agua en los diversos cuerpos que constituyen el sistema solar. El Sol Con una masa veces la masa de la Tierra y una temperatura de ºC en su interior y 6000 ºC en la parte externa es imposible pensar en la existencia de agua líquida o sólida. Pero en el Sol hay moléculas de agua, que se detecta por la absorción de la radiación infrarroja. En el Sol hay oxígeno que puede colisionar con el omnipresente hidrógeno por lo que se puede hablar de la presencia de moléculas de agua. Planetas La primigenia teoría de formación del sistema solar según la cual los planetas proceden de masa eyectada por el Sol no es sostenible. 166 XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 167

5 Ninguno de los planetas alcanzó, en la fase de acrecimiento, el tamaño suficiente para lograr la temperatura necesaria al arranque de la reacción de fusión nuclear. El que más cerca anduvo fue Júpiter, que si lo hubiera logrado, se habría convertido en un segundo Sol y nuestro sistema sería un sistema binario. Pero todos ellos, en su proceso de formación, alcanzaron la temperatura de fusión adquiriendo así la forma esférica. Hoy sabemos que la aparición del agua en los planetas se produjo hace unos millones de años es decir casi simultáneamente a la fecha de formación de éstos. La aparición de circonios con esta antigüedad cuya génesis requiere la presencia de agua, así lo demuestra. En Mercurio, dada la proximidad al Sol, la temperatura de día es muy elevada, en torno a 350 ºC, por lo que el agua de su superficie necesariamente tuvo que estar en estado gaseoso y se perdió rápidamente dada la débil fuerza de la gravedad como consecuencia de su escasa masa que no alcanza el 6% de la Terrestre. En Mercurio, donde se ha detectado muy pequeña cantidad de agua, esta debe estar en forma gaseosa y ocluida en su interior. En Venus cabría hacer la misma observación que en Mercurio, si bien dada su mayor masa, muy cercana a la terrestre, pudiera contener agua en estado gaseoso en su superficie a pesar de que la atmósfera es casi exclusivamente de CO 2. Venus probablemente tuvo tanta agua como la Tierra pero el efecto invernadero del CO 2, provocó su evaporación. La elevada proporción de deuterio detectada, 120 veces mayor que en la Tierra, muestra que, en efecto, hubo una gran cantidad de agua. En la Tierra, de la que se hablará más adelante, es obvio que existe agua en estado gaseoso ocluida en su interior y en la atmósfera y en estado sólido y líquido en mares, lagos y ríos. En Marte, dada su dimensión y escasa gravedad pues su masa es el 11% de la Tierra, no se pudo retener agua en forma gaseosa pero si pudo estar en forma líquida y sólida en su superficie. La evolución de Marte hacia zonas más frías del sistema solar determinó que toda el agua se tornara sólida. No se excluye la posibilidad de agua liquida en su interior. Júpiter está formado básicamente por hidrógeno y helio pero parece posible que haya nubes de vapor de agua bajo el manto de metano y amoniaco que cubre su superficie. Otra cuestión es la presencia de agua en sus satélites principalmente Europa. Saturno, como sucede con Júpiter, está formado por un 90% de H y 5 % de He. Su densidad es menor de 1 y cabria la posibilidad de presencia de agua. También en este caso es posible que exista agua en alguno de sus 61 satélites. Es destacable el caso del satélite Encelado de 250 Km de diámetro. Urano posee, probablemente, un océano de hielo de agua bajo manto de metano. Su núcleo es de hielo y rocas. Neptuno. La estructura interna se parece a la de Urano: un núcleo rocoso cubierto por una costra helada, oculto bajo una atmósfera gruesa y espesa. Los dos tercios interiores de Neptuno se componen de una mezcla de roca fundida, agua, amoníaco líquido y metano. El tercio exterior es una mezcla de gas caliente compuesto de hidrógeno, helio, agua y metano Satélites planetarios Luna. Es el único satélite de los cuatro planetas terráqueos. Su formación, según se admite de forma casi unánime, se produjo como consecuencia de la colisión de un gran cometa del tamaño de Marte con la Tierra. Debido a esa colisión, la presencia del agua, si existe, fue transferida por el hielo cometario y sólo cabe esperarla en forma de hielo o gas en su interior. Europa. Satélite de Júpiter de 3100 Km de diámetro. Parece ser que bajo un manto de hielo superficial se escondería un impresionante océano interior de agua líquida de 100 Km de kilómetros de profundidad, que abarcaría la totalidad del satélite, formado por el derretimiento de masas de hielo interno. La explicación de esta agua líquida podría ser que se debe al calor interior provocado por el tira y afloja gravitatorio de Júpiter, que estiraría y comprimiría Europa de forma cíclica. Encelado. Quizás lo más sobresaliente sobre agua en satélites planetarios sea el reciente descubrimiento realizado por la NASA en el satélite de Saturno, Encelado, con la sonda Cassini que orbita alrededor de Saturno desde XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 169

6 Imagen de Europa desde la sonda Galileo (Izquierda). Imagen de Encelado captada por la sonda Cassini. Las grietas sugieren la presencia de un océano subterráneo de agua líquida (Derecha). En marzo de 2006, la misma nave encontró los primeros indicios de agua en esta luna, al detectar en los alrededores de su polo sur géiseres que expulsan chorros de partículas desde el interior del satélite. Estos surtidores podrían tener su origen en pequeñas bolsas de agua líquida que se encontrarían enterradas a poca distancia de la superficie. De acuerdo con esta hipótesis, el agua se mantendría por encima de su punto de congelación gracias al calor producido por procesos radiactivos y a las actividades geológicas que tienen lugar en esta área de Encelado. Los nuevos hallazgos en Encelado han convertido inesperadamente a esta luna de Saturno en uno de los lugares con más probabilidades de albergar agua y vida fuera de la Tierra y dentro del sistema solar. Marte sigue siendo el gran candidato para hallar algún tipo de organismo vivo fuera de la Tierra, y los esfuerzos para buscar vida seguirán centrándose en el planeta rojo, sin embargo, satélites como Europa y Encelado están dando sorpresas que impiden descartar que sea bajo su superficie donde al final encontremos el primer rastro de vida fuera de nuestro propio planeta. La conclusión sobre la existencia del agua en el sistema planetario es que esta existe, en mayor o menor medida, en todos los cuerpos que lo forman. Cometas Los cometas son cuerpos de forma irregular que orbitan alrededor del Sol normalmente con gran excentricidad formados por agua en forma de hielo y polvo. Son cuerpos que se formaron hace unos 4500 millones de años, cuando se originó el sistema solar, pero que abortaron el proceso de acreción sin llegar a adquirir elevada temperatura. No sólo no alcanzaron la temperatura de fusión que les hubiera permitido lograr la forma esférica sino que se mantuvieron a muy baja la temperatura con agua helada como componente sólido. Por esta razón se considera que los cometas representan el estadio más primitivo del desarrollo del sistema planetario y su conocimiento es importante para entender la formación de los núcleos de los planetas gaseosos, ya que son similares a los primitivos objetos planetesimales que constituyeron el interior de estos planetas en las primeras etapas de formación del Sistema Solar. La figura pone de manifiesto dos particularidades de los cometas. La primera es que la cola se desarrolla a medida que éstos se acercan al Sol, debido al calentamiento de sus heladas superficies. La segunda, es que sus colas siempre están dirigidas en dirección opuesta al Sol. Cinturón de Kuiper Algunos objetos del Cinturón de Kuiper (izquierda). Nube de Oort (derecha) 170 XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 171

7 Típicamente, un cometa tiene menos de 10 km de diámetro. La mayor parte de sus vidas son cuerpos sólidos congelados o bolas de nieve con polvo. Cuando eventualmente se acercan al Sol, el calor de éste empieza a vaporizar sus capas externas que se subliman, convirtiéndolo en un astro con unas partes bien diferenciadas. En este proceso de sublimación se desprenden partículas de polvo formándose así una nube de gas y polvo que envuelve al núcleo. Dicha nube es la coma o cabellera del cometa que puede alcanzar los km. Como se verá más adelante es importante conocer el lugar de donde proceden los cometas que, hasta fecha reciente, eran dos: Una de ellas es el llamado Cinturón de Kuiper, en honor del astrónomo norteamericano Gerard Kuiper, quien lo predijo en 1960 aunque su existencia no fue confirmada hasta Es una zona que pertenece al disco de acreción originario del sistema solar donde orbita una gran multitud de objetos helados alrededor del Sol más allá de la órbita de Neptuno, en el confín del Sistema Solar por lo que reciben el nombre de TNOs (Trans Neptunian Objets). Tal lejanía hace que la luz del Sol tarde más de cuatro horas en llegar y que la temperatura superficial de estos cuerpos sea del orden de -220 ºC. El agua helada es, pues, uno de los componentes principales de los cuerpos que integran el Cinturón de Kuiper. La otra zona de procedencia de cometas es la llamada Nube de Oort en honor del astrónomo holandés Jan Oort ( ) quien formuló su hipotética existencia en No es un espacio plano como el Cinturón de Kuiper sino una nube de tipo esférico y se encuentra a 1,5 años luz del Sol. A pesar de la gran distancia, los objetos situados en la Nube de Oort están en orbitas solares, aunque sobre ellos tiene efecto gravitatorio no despreciable la estrella Alfa Centauro que, a una distancia de 4,5 años luz, es la más próxima al Sol. Los objetos del cinturón de Kuiper pudieron crearse más hacia el interior del Sistema Solar y haber sido desplazados hasta sus posiciones actuales más alejadas y más frías debido a las interacciones con Neptuno. Neptuno, en efecto, se ha desplazado lentamente desde la posición originaria que tenía cuando se formó hasta la lejana órbita que posee actualmente. El Cinturón de Kuiper es la fuente de cometas de los llamados de periodo corto. El primer objeto de este cinturón fue descubierto en Aunque la mayoría de ellos son pequeños, de unos 100 kilómetros de tamaño medio, se estima que existen unos objetos mayores de 50 km. En 2000 se descubrió Varuna de unos 900 km. de diámetro. Posteriormente, desde 2003 a 2005, se han encontrado objetos mucho más grandes que el Varuna entre ellos el Sedna y el Eris, este último más grande Plutón. El TNO Sedna tiene una órbita elíptica alta con excentricidad de por lo que se asemeja más a una órbita cometaria que a una planetaria. Se cree que la rotación de Sedna sobre sí mismo es de 40 días y el periodo de revolución es de 13 años. Durante cierto tiempo se consideró el objeto más grande hallado en el Sistema Solar desde el descubrimiento de Plutón en Demasiado lejano para considerarlo objeto del Cinturón de Kuiper, los descubridores alegan que Sedna, como sucede con Eris, pertenece en realidad a la Nube de Oort. Está tan lejos del Sol que la temperatura nunca sube de los -240 C. Por su frío y su distancia se le dio el nombre de Sedna, deidad del mar de la mitología esquimal. En cuanto a la Nube de Oort, se supone que residen allí más de cien millones de cometas gran parte de ellos procedente del interior de la órbita de Neptuno que, perturbados por la atracción gravitatoria de los planetas gigantes, fueron lanzados al exterior del sistema solar o a órbitas más alejadas. Se trata, pues, de un verdadero depósito de cometas. Se caracterizan por poseer un extensa gama de periodos orbitales y orbitas inclinadas aleatoriamente sobre la eclíptica. La Nube de Oort explica elegantemente una antigua aparente paradoja: si los cometas son destruidos tras varios pasos cercanos al Sol deberían haber sido destruidos completamente a lo largo de la historia del Sistema Solar. La Nube de Oort resuelve esta contradicción al erigirse como fuente continua y casi inagotable de material cometario que reemplaza a los cometas destruidos. La Nube de Oort es la fuente de cometas de los llamados de ciclo largo. Algunos notables cometas son los siguientes: Donati (1858). Un ejemplo de cometa de periodo muy largo que apareció, con un periodo orbital estimado en unos 2000 años. Donati no volverá a regresar hasta dentro de años. Ikeya-Seki, (1965). Pertenece a un grupo de cometas caracterizados por unas órbitas que los llevan extremadamente cerca del Sol durante el perihelio. Se le reconoce como un cometa suicida o de Kreutz. Su periodo de revolución es de 876 años. Existe una posibilidad de 172 XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 173

8 que este cometa fuese el retorno del gran cometa X/1106 C 1, que fue visto en plena luz del día en toda Europa. West (1976). Fue el cometa más brillante de los últimos años y parece ser que alcanzó, aunque durante muy poco tiempo, una magnitud de -3.5 en el perihelio. Sin embargo, en aquel momento el cometa West estaba demasiado cerca del Sol para poderlo observar a simple vista. La foto del cometa West muestra dos colas diferentes. La cola de plasma azul está compuesta por gases y la cola ancha blanca está compuesta por partículas microscópicas de polvo. Shoemaker Levy (1994). Recientemente se produjo el impacto de los fragmentos del cometa Shoemaker-Levy a más de km/h contra la superficie del gigantesco Júpiter. Los fragmentos del Shoemaker-Levy tenían unos pocos kilómetros de diámetro y generaron unas manchas en la atmósfera de Júpiter del tamaño de la Tierra. Esto nos confirma que el impacto de un gran asteroide sobre la Tierra podría generar polvo que al distribuirse por toda la atmósfera terrestre, cubriría el cielo y bloquearía la luz solar enfriando la superficie del planeta durante meses. Se producirían de esta forma extinciones en masa de plantas y animales. Cometa Donati (izquierda) y Cometa West (derecha). Wild (1978). Orbita alrededor del Sol cada 6 años, lo cual es un corto período de tiempo para un cometa. El núcleo de Wild es de sólo 5 km. de diámetro. En enero del 2004, la nave espacialstardust pasó junto al cometa Wild 2, obtuvo unas excelentes fotografías de núcleo, y recogió partículas de polvo junto con el polvo interestelar capturado. Este material regresó a la Tierra el 15 de enero de Colisión cometa Shoemaker-Levy con Júpiter (izquierda) y Cometa Hale-Bopp (derecha). Hale-Bopp (1995). Fue probablemente uno de los cometas más ampliamente observados en el último siglo y uno de los más brillantes que se han visto en décadas. Pudo ser contemplado a simple vista durante 18 meses. El cometa Hale-Bopp fue descubierto el 23 de julio de1995 a gran distancia del Sol, creándose desde entonces la expectativa de que sería un cometa muy brillante cuando pasara cerca de la Tierra. El Hale-Bopp superó todo lo esperado cuando pasó por su perihelio el 1 de abril de Cometa Wild. Nucleo (izquierda) y Cometa Halley (derecha). Halley (1986). Oficialmente denominado 1P/Halley, es un cometa grande y brillante que orbita alrededor del Sol cada 76 años en promedio, aunque su período orbital puede oscilar entre 74 y 79 años. Es uno de los mejor conocidos y más brillantes de los cometas de periodo corto del cinturón de Kuiper. Se le observó por última vez en 1986 cerca de la Tierra y se calcula que la siguiente visita en el año El Halley, aunque procede de la Nube de Oort, es un cometa de periodo corto porque su órbita fue drásticamente alterada por los planetas jovianos. Cometa Churyumov-Gerasimenko (izquierda) y Sonda Rosetta, cerca del asteroide Steins, camino del cometa Churyumov-Gerasimenko (derecha). 174 XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 175

9 Churyumov-Gerasimenko (1969) Este cometa, que orbita alrededor del Sol cada 6.5 años tiene una historia extraña. Antes de 1840, la órbita de Churyumov-Gerasimenko lo mantenía muy distante del Sol. En 1840, el cometa se acercó a Júpiter cuya fuerte gravedad alteró la órbita del cometa, acercándolo al Sol. En 1959 otra aproximación a Júpiter lo acercó al Sol aún más. Debido a que el cometa estuvo lejos del Sol por mucho tiempo, no se ha derretido considerablemente. Esto significa que no ha cambiado mucho desde que nació, cuando nuestro Sistema Solar aún era joven. El estudio de cometas como éste es de sumo interés porque podría ayudar a conocer más acerca de los primeros tiempos en la historia de nuestro sistema Solar por esta razón ha sido designado como el objetivo de la nave Rosetta que lo alcanzará en Cabe concluir que los cometas son los cuerpos con mayor contenido de agua en forma de hielo, parte del cual pasa a vapor de agua en las proximidades del Sol. Su origen transneptuniano puede generarse en el Cinturón de Kuiper, en cuyo caso son de periodo corto o en la Nube de Oort, mucho más alejada, siendo entonces de periodo largo. Asteroides Los asteroides son cuerpos rocosos y metálicos carentes de atmósfera, que tienen un tamaño medio que puede variar desde unos 50 m. a km pero pueden alcanzar más de km. Al igual que el planeta Neptuno, los asteroides fueron descubiertos primero de forma teórica. En 1776, el astrónomo alemán Johann D. Titius dedujo la existencia de un planeta entre Marte y Júpiter pero hubo que esperar hasta 1801 para que otro astrónomo, Giuseppe Piazi, descubriese un cuerpo celeste orbitando a la distancia predicha anteriormente. El tamaño del objeto, bautizado como Ceres, fue menor de lo esperado (unos km de diámetro), por lo que no se ajustaba completamente al modelo propuesto por Titius. Un año después, Heinrich W. M. Olbers ( ) descubrió otro cuerpo de similares características: Palas, de 523 km de diámetro. Posteriormente fueron descubiertos Juno y Vesta, también de considerable tamaño. Todos ellos orbitan alrededor del Sol entre las órbitas de Marte y Júpiter, en una zona conocida como Cinturón Principal de Asteroides. Casi todos los asteroides de este cinturón emplean entre tres y seis años terrestres en dar una vuelta completa alrededor del Sol. Tras los sucesivos descubrimientos de nuevos objetos a principios del siglo XIX en la misma zona, Olbers sugirió en 1807 la posibilidad de que, en lugar de un planeta intermedio, existiesen múltiples fragmentos residuales de uno mucho mayor. Actualmente se sabe que no sucedió así en realidad, sino que estos asteroides son cuerpos que no llegaron a agregarse durante los comienzos del Sistema Solar para formar un planeta, debido posiblemente, entre otras razones, a la enorme fuerza gravitatoria del cercano Júpiter y a la escasa masa que poseían que no llega a un 3% de la masa total de la Luna. Se supone que en el Cinturón Principal de Asteroides orbitan más de asteroides girando alrededor del Sol. Es la principal, pero no única, zona de asteroides. Los asteroides son clasificados de acuerdo a su composición química y a la cantidad de luz que reflejan. La mayor parte son de tipo C (carbonáceos), que contienen arcillas y minerales hidratados, o de tipo S, con una composición rocosa. Ceres fue el primer asteroide observado en Tiene unos 960 Km de diámetro y es esférico. Posee una capa de hielo de agua de varios Km de espesor y su masa representa el 40% de la masa de todos los asteroides del cinturón principal. Ha sido examinado intensamente con el telescopio espacial Hubble. La Unión Astronómica Internacional ha incluyó a Ceres en la categoría de nueva creación de Planetas Enanos. Pallas con 610 Km de diámetro fue descubierto poco después de Ceres en Ha sido examinado intensamente con el telescopio espacial Hubble. Vesta con 523 Km de diámetro fue estudiados mediante radar desde el Observatorio de Arecibo en Puerto Rico. No ha sido considerado como planeta enano por tener forma ovalada. 176 XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 177

10 Ida. Descubierto en 1993 por la sonda espacial Galileo que detectó, además, un pequeño asteroide orbitando a una distancia de aproximadamente 100 km que recibió el nombre de Dactyl. Posición del cinturón principal de asteroides. Ida y Dactyl. Vesta. Gaspra es un cuerpo irregular de 19 km de largo, fue el primero en ser fotografiado de cerca, en 1991, por la sonda espacial Galileo en camino hacia Júpiter desde una distancia de km. Eros y Mathilde. El proyecto NEAR (Near-Earth Asteroid Rendezvous) de la NASA fue la primera misión científica dedicada exclusivamente al estudio de los asteroides. La sonda NEAR, rebautizada Shoemaker en honor al fallecido astrónomo norteamericano Eugene Shoemaker, sobrevoló el asteroide Mathilde para luego acercarse al asteroide Eros en febrero de 2000 y orbitarlo durante un año, estudiando su superficie, masa, composición y campo magnético. En febrero de 2001, la nave descendió a la superficie de Eros logrando, por primera vez en la historia, un aterrizaje en un asteroide. Gaspra. Eros y Mathilde. 178 XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 179

11 Eugenia. En 1998 se anunció el descubrimiento de un cuerpo de 13 km de diámetro orbitando al asteroide Eugenia de 245 km que recibió primero el nombre de Petit-Prince. Sylvia. Recientemente el asteroide Sylvia cuya primera luna Romulus había sido descubierta en el año 2001, se convirtió en el primer asteroide triple conocido, al descubrirse a su alrededor un segundo satélite que fue denominado Remus. Los astrónomos creen que estas lunas fueron eyectadas del asteroide principal por un impacto en el pasado, y que en el futuro podrían encontrarse otros satélites más pequeños alrededor de Sylvia. Itokawa. Después de viajar casi 500 millones de kilómetros, la sonda japonesa Hayabusa logró insertarse en septiembre de 2005 en una órbita heliocéntrica de estacionamiento a 20 kilómetros de su destino: el asteroide Itokawa de 300 metros Un par de meses más tarde descendió en dos oportunidades hacia su superficie para obtener muestras de la misma. Si logra regresar a nuestro planeta, previsto en el año 2010, Hayabusa será la primera sonda en traer a la Tierra muestras de un asteroide. Itokawa (300 m)(izquierda) y Steins (6 Km) (derecha). Steins. Es el asteroide más recientemente descubierto por la sonda espacial Rosetta, de la Agencia Espacial Europea. Ubicado entre las órbitas de Marte y Júpiter, a 360 millones de kilómetros de la Tierra. Tiene forma de brillante y ha sido considerado como la nueva joya del Sistema Solar. Mide 5,9 km de largo y 4 km de alto y tiene al menos 23 cráteres, el mayor de los cuales mide dos km. Juno, Sedan, Quaoa, Ixión e Iris son otros importantes asteroides. Otros asteroides sobrevolados por sondas espaciales en camino hacia otros destinos fueron el Braille, visitado por la Deep Space 1 en 1999, y el Annefrank, fotografiado por la sonda Stardust en Aunque el gran receptor de impactos, dada su gran masa, fue Júpiter, la Tierra fue, sin duda, un blanco de numerosos asteroides. De hecho se ha detectado el impacto sobre el planeta Tierra de 179 asteroides entre los que son a destacar: El de la gran extinción hace 250 millones de años que tenía 6 a 12 Km. No está totalmente probado este suceso. El de Yucatán hace 65 millones de años. Parece probado. Destruyó a los dinosaurios y a una gran parte de la vida terrestre. El de Zaragoza, Azuara, producido hace 35 millones de años. El cráter tiene 30 km de diámetro, fue descubierto hace unos años por Kord Erntson. El cuerpo que lo produjo mediría unos dos km de diámetro. La onda de la explosión tendría un alcance de 1000 km y en ese radio la temperatura sería suficientemente alta, centenares de grados, como para quemar todo. El asteroide que generó la Luna que debía tener un tamaño semejante a Marte En cuanto a la presencia de agua en asteroides, las observaciones recientes realizadas mediante el Telescopio Espacial Hubble, han mostrado que Ceres es un objeto prácticamente esférico y que posee un interior diferenciado, con material más denso en el núcleo y minerales más livianos cerca de la superficie. Todos los planetas rocosos poseen interiores diferenciados por lo cual se considera a Ceres una especie de miniplaneta. Se cree que bajo la corteza de Ceres existen grandes cantidades de agua helada dado que la densidad del asteroide es menor a la de la corteza terrestre, y además el espectro de su superficie muestra la presencia de minerales acuíferos. A diferencia de la Tierra, en Ceres el agua se encontraría congelada en el manto que envuelve el núcleo sólido del asteroide. Si Ceres estuviera compuesto de 25% de agua, podría tener más agua que toda el agua dulce de la Tierra. La presencia de agua en Ceres muestra que existe alta probabilidad de que el agua helada esté presente en otros asteroides Agua en la Tierra Tradicionalmente se ha explicado la presencia del agua en los océanos de la Tierra con dos teorías que tienen en común la hipótesis de que el agua procede del mismo planeta Tierra. 180 XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 181

12 Una de ellas sostiene que el agua se formó en el centro de La Tierra. la Tierra recién formada no tenía atmósfera y mucho menos océanos. Por el contrario, sí había agua, pero ésta estaba combinada con las sustancias de las rocas que formaban la parte sólida de nuestro planeta. Debido a la acción de la gravedad, la porción sólida se fue empaquetando y compactando, lo que provocó un aumento de la temperatura en su interior. Esto ocasionó que el agua y ciertos gases abandonaran de forma violenta la roca madre, provocando enormes cataclismos. Durante millones de años, no cayó una sola gota de agua del cielo. Los océanos empezaron a formarse a partir del vapor de agua que salía a borbotones de la corteza terrestre, y que luego se condensaba. Podría decirse entonces que los océanos no nos llovieron del cielo, sino que manaron de la corteza terrestre. Otra teoría es la sostenida a mediados del siglo XX cuando se pensaba que la Tierra y los demás planetas estaban formados de materia arrancada del Sol. La Tierra sufría un gradual proceso de enfriamiento desde la incandescencia, para pasar luego a un calor moderado y finalmente al punto de ebullición del agua. Una vez enfriada lo bastante para que el agua se condensase, el vapor de agua de la atmósfera caliente de la Tierra pasó a estado líquido y empezó a llover. Al cabo de muchos años de esta increíble lluvia de agua hirviendo, las cuencas de la accidentada superficie del planeta acabaron por enfriarse lo bastante como para retener el agua, llenarse y constituir así los océanos. Es la teoría más convencional estudiada en colegios según la cual el agua liquida tuvo su origen en la violenta degasificación del manto terrestre por alta temperatura durante el periodo de formación de la Tierra, hace unos millones de años y cuyas emanaciones gaseosas aportaron a la primitiva hidrosfera el 85 % en vapor de agua que, más tarde, se condensaría en los océanos con el enfriamiento de la corteza terrestre. Pero pronto se comprobó que ambas teorías no eran en absoluto satisfactorias. La teoría del origen rocoso porque contaba implícitamente con la hipótesis de que la Tierra se había formado con material procedente del Sol y hoy sabemos que tanto la Tierra como los demás planetas se formaron independientemente y al mismo tiempo que el Sol. La teoría de la degasificación del manto terrestre, porque dada la intensidad de la gravedad, la mayor parte del agua no pudo ser retenida por la Tierra y se perdió definitivamente en el espacio abierto. Era necesario pues buscar una nueva explicación y esta apareció cuando a finales del S. XX se comprobó que los asteroides y, sobre todo los cometas, eran los objetos del sistema planetario mas ricos en agua. Se concibió, entonces, que el agua de la Tierra podía proceder principalmente de los cometas que en forma de hielo colisionaron con la Tierra. Al impactar sobre la superficie terrestre liberaron agua helada y llenaron los océanos o parte de ellos. Cuando fue planteada la teoría del origen extraterrestre del agua recibió una gran cantidad de críticas. Una de ellas, quizás la más importante, es que gracias a las medidas de la relación deuterio hidrógeno D/H en los cometas Hale Bopp (1998), Hyakutaque ( 1998) y Halley (1995), todos ellos procedentes de la Nube de Oort, se concluía que el agua por ellos transportada era muy diferente al agua de la Tierra. La relación D/H de los cometas era 3x10-4 y la de la Tierra 1,5x10-4, es decir, el doble. Cometa Linear desintegrándose. Imágenes, en el centro, de los tres cometas conocidos del cinturón principal 182 XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 183

13 Pero recientemente dos acontecimientos han venido a modificar esta situación. Uno de ellos, nos lo ha proporcionado la aparición del cometa Linear. El 27 de septiembre de 1999, el programa Lincoln de Investigaciones de Asteroides Cercanos a la Tierra descubrió este cometa C/1999 S4 (más conocido como Cometa Linear ). Sorprendió a los astrónomos al romperse en pedazos cuando pasaba cerca del Sol. Ahora el fenecido cometa los ha vuelto a sorprender: Nuevas investigaciones basadas en datos obtenidos en esa ocasión, muestran que lo más probable es que el agua contenida en el cometa Linear tuviese la misma composición isotópica que el agua que encontramos en la Tierra. Esto es con una relación D/H de 1,5 x 10-4 En efecto, el análisis molecular del cometa Linear, antes de desintegrarse en agosto de 1999, mostró serios indicios de que el hielo de agua de su núcleo compartía el mismo porcentaje isotópico de deuterio que presenta el agua de la Tierra. Otro estudio paralelo revelaba que el interior de su núcleo de 1 km de diámetro transportaba 3,6 millones de toneladas de agua. Utilizando telescopios sensibles en la banda del infrarrojo, se pudo averiguar que este cometa, por su débil concentración de moléculas orgánicas volátiles (monóxido de carbono, metano, etano y acetileno), no era un objeto transneptuniano (nube de Oort o cinturón de Kuiper) sino que se formó en una región más caliente e interna del Sistema Solar, en el entorno de la orbita de Júpiter. Los astrónomos pueden, en efecto, conocer donde se ha formado un cometa, porque ciertas moléculas como el monóxido de carbono, el metano, el etano, y el acetileno son volátiles. Se congelan sólo a temperaturas extremadamente bajas. Los cometas que se formaron en las regiones exteriores del Sistema Solar donde hace mucho frío incluirían estas moléculas heladas en sus núcleos de hielo. Mientras que los cometas que se formaron más cerca del Sol (donde estas sustancias permanecen en forma gaseosa) contendrían menos volátiles. El segundo acontecimiento consistió en la aparición de unos extraños cometas. En 1996 y en 2002, el asteroide cometa 133P/ Elst-Pizarro fue visto exhibiendo una larga cola de polvo típica de los cometas de hielo, a pesar de tener una órbita plana y circular que normalmente presentan los asteroides rocosos. Como era el único objeto con apariencia cometaria en el Cinturón Principal de Asteroides, la verdadera naturaleza, cometaria o asteroidea, del 133P/Elst-Pizarro ha sido motivo de frecuentes polémicas carentes de consecuencias. Pero diez años más tarde, en noviembre de 2005, se descubrió que además del misterioso cometa Elst-Pizarro existían dos objetos designados como Asteroide y cometa P1/2005 que estaban eyectando polvo como un cometa. El 33P/Elst-Pizarro no estaba solo en el cinturón de asteroides. Al grupo de estos cuerpos helados que se esconden bajo la apariencia de asteroides en el Cinturón Principal de Asteroides entre Marte y Júpiter, se les ha llamado Cometas del Cinturón Principal. Describen tres órbitas casi circulares que eyectan materiales volátiles, produciendo una cola observable durante semanas y a veces hasta meses. La existencia de estos cometas del cinturón principal sugiere que asteroides y cometas están mucho más estrechamente relacionados de lo que hasta ahora se creía, por lo que las definiciones convencionales de cometas y asteroides necesitan ser reconsideradas. Por otro lado, este hallazgo rescata la teoría que afirma que los asteroides portadores de hielo (o cometas ) de esta región cercana podrían haber desempeñado un importante papel en la formación de los océanos terrestres puesto que podrían ser la fuente principal del agua actualmente existente en la Tierra. Todavía no se ha podido examinar la relación D/H de esos cometas interiores pero, a la vista de la información aportada por el Linear y en espera de confirmar estos esperanzadores resultados, se ha iniciado una importante actividad para conocer y analizar mejor el agua de los cometas. Concretamente, el 4 de julio de 2005, la sonda espacial Deep Impact de la NASA, lanzó un proyectil que impactó contra el cometa Tempel 1. Los telescopios espaciales observaron el fenómeno que aumentó el brillo del cometa unas 30 veces mientras la sonda Deep Impact, a sólo 500 km del cometa, observó el impacto que levantó la nube de gas y polvo que se extendió unos km. El proyectil de la Deep Impact se estrelló contra el cometa siguiendo una trayectoria oblícua, perfectamente captada desde la Tierra. Los científicos todavía no han podido observar el cráter debido a la gran cantidad de polvo que se levantó tras la explosión lo que impide la visión desde los observatorios. Con la cantidad de material obtenido, las investigaciones proseguirán durante meses e incluso años. 184 XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 185

14 Órbitas de: 3 cometas del cinturón principal, 5 planetas interiores, 100 asteroides y 2 cometas típicos Halley y Tempel 1. Las posiciones de los 3 cometas y de los planetas corresponden al 1 de Marzo de De momento, el Temple 1 ya ha sido calificado oficialmente como un cometa del tipo Júpiter donde se producen frecuentes erupciones de polvo y cenizas en la superficie. Además, es el primer cometa estudiado que presenta impactos de cráteres en su superficie, y el primero en el que se encuentran diversas características topográficas. Cometa Tempel 1. El estudio del cometa Linear destruido en su aproximación al Sol y en particular su contenido de deuterio, así como el descubrimiento de tres cometas con origen en la zona más templada entre Marte y Júpiter donde hasta ahora sólo moraban asteroides, ha despejado una de las mayores dificultades, la anómala relación D/H. La teoría extraterrestre del origen del agua parece ser que está siendo progresivamente asumida por la comunidad científica. Los próximos resultados que aportarán el bombardeo del cometa Tempel, el regreso de la sonda posada sobre el cometa Itokawa y la investigación de la sonda Rosetta que en 2014 posará un módulo de aterrizaje en la superficie del cometa Churyumov-Gerasimenko de 5Km aportarán, probablemente, suficiente información para confirmar esta teoría. Impacto sobre Tempel 1 lanzado desde Deep Impact. 186 XXVII Se m a n a d e e s t u d i o s d e l m a r O r i g e n d e l o s m a r e s, c o m o a p a r e c i ó a g u a e n l a Ti e r r a 187