De esta manera, nos llevan a recorrer las fases por las que cada gotita atraviesa el ciclo del agua,  entretejiendo así la historia del H₂O en el CICESE y en nuestro planeta con historias marcadas por una visión analítica, sólida, apasionante y futurista de un tema vanguardista que tiene mucho que aportar, no pierde vigencia y es inagotable. Por lo menos hasta hoy.

La circulación y cambios de estado del agua en la Tierra se conoce como ciclo hidrológico, o ciclo del agua. La energía que mantienen en movimiento al agua dentro de su ciclo es la energía radiante del sol y la fuerza que controla su movimiento en la naturaleza es la gravedad. 

Fotografías Getty Images y Adriana Castillo

A continuación les presento los principales procesos implicados en el ciclo del agua y su relación con los investigadores y ciencia realizados en el CICESE.

 

 

El ciclo hidrológico como tal, no tiene principio ni fin, sin embargo es común analizarlo partiendo de la evaporación desde la superficie de cuerpos de agua superficiales principalmente el océano, ya sea por el calentamiento de la Tierra principalmente por la radiación solar, o por la acción del viento. El agua se evapora en la superficie oceánica, también sobre la superficie terrestre y por los organismos, en los procesos de transpiración en plantas y sudoración en animales, incluido el humano. Los seres vivos, especialmente las plantas, contribuyen con un 10 por ciento del agua que se incorpora a la atmósfera. 

 

En el CICESE se estudian los dos extremos del ciclo del agua en la atmósfera: evaporación y precipitación.  En el primer caso el enfoque es la evaporación en suelos húmedos, tema que a pesar de su importancia se ha estudiado relativamente poco en nuestro país. En un primer trabajo el Dr. Edgar Pavía López, investigador del Departamento de Oceanografía Física, publicó resultados en 2008, donde encontró que la evaporación total de arenas saturadas y del agua es comparable durante el día, cuando ambas pueden ser modeladas a partir de la radiación solar y la temperatura del aire. En un segundo trabajo  este investigador con su colega, el M.C. Ismael Velázquez Hernández, encontraron en 2010 que, a pesar que en total pueden ser comparables, la evolución de la evaporación de arena húmeda es muy diferente que la del agua: al principio la arena evapora más que el agua, pero al llegar a un cierto umbral ésta cesa repentinamente, mientras que el agua continúa evaporando.  En un trabajo más reciente -2012- Edgar Pavía logró establecer la relación entre la radiación solar total y los diferentes flujos superficiales de energía (no sólo la evaporación o flujo de calor latente, sino también el flujo de calor sensible y el flujo de calor hacia el interior de la superficie) modelando empíricamente la evaporación. 

 

En el caso de la precipitación, el principal reto fue pasar del ámbito local a regional y nacional, así como pasar de los modelos estadísticos basados en el fenómeno de "El Niño" a modelos más completos.  Este reto en parte lo enfrentaron relacionando el clima (representado en dos variables: temperatura superficial del aire y precipitación) de todo México con variables atmosféricas y oceánicas globales; no sólo estadísticamente sino también con modelos numéricos.  Aquí su principal trabajo se enfocó en dirigir la tesis doctoral del M.C. Ramón Fuentes Franco, en co-dirección con el Dr. Federico Graef Ziehl, donde el resultado más relevante es la transición del modelo predictivo denominado CICESE I, que es puramente estadístico, al modelo CICESE II propuesto por Ramón basado en observaciones atmosféricas y oceánicas de todo el planeta. Este segundo modelo  permite realizar predicciones tanto regionales como nacionales sobre lluvias estacionales.

 

Escucha a Edgar Pavía comentando que las explicaciones complejas no necesariamente son las mejores. 

 

La precipitación es producto de la condensación del vapor de agua atmosférico que se deposita en la superficie de la Tierra. Ocurre cuando el vapor de agua de la atmósfera se condensa en forma líquida cayendo como solución, es decir, se precipita. 

En la relación precipitación-evaporación, algunos resultados relevantes para el grupo de investigación liderado por Edgar Pavía incluyen el reconocimiento de lluvia al año en nuestra región Ensenada, que es de alrededor de 250 milímetros por año, o bien 250 litros por metro cuadrado. También saben que evapora alrededor de un metro por año; esto es, que la evaporación es cuatro veces más que la precipitación pluvial, lo que significa que para mantener un balance regional son necesarias otras fuentes de humedad. Reconocen que los efectos predictivos para la región relacionados con el fenómeno “El Niño” empiezan a ser menos, debido -tal vez- al cambio climático. 

 

En el Laboratorio de Pronóstico Meteorológico los siguientes pasos a seguir son: el aporte de una herramienta operacional para continuar con el pronóstico regional de la precipitación estacional, el cual será producto del trabajo doctoral de Ramón Fuentes.  A partir de este año -2012- ya no emplearán la tradicional relación "El Niño"-lluvia, pues el modelo con habilidad teórica de 2/3, precisamente en este año terminó con puntaje de 10/5 (diez pronósticos acertados y cinco fallados), un buen momento para retirar este modelo y migrar al CICESE-II, que se encuentra operando desde marzo de este año.

 

Una parte del agua que llega a la superficie terrestre por precipitación o lluvia será aprovechada por los seres vivos; otra escurrirá por el terreno hasta llegar a un río, un lago o el océano. A este fenómeno se le conoce como escorrentía. Otro poco del agua se filtrará a través del suelo, formando capas de agua subterránea. Este proceso es la percolación. Más tarde o más temprano, toda esta agua volverá nuevamente a la atmósfera, debido principalmente a la evaporación.

  
 

Al evaporarse, el agua deja atrás todos los elementos que la contaminan o la hacen no apta para beber (sales minerales, químicos, desechos, contaminantes, etc.). Por eso el ciclo del agua nos entrega un elemento puro. Pero hay otro proceso que también purifica el agua, y es parte del ciclo: la transpiración de las plantas.

Las raíces de las plantas absorben el agua, la cual se desplaza hacia arriba a través de los tallos o troncos, movilizando consigo a los elementos que necesita la planta para nutrirse. Al llegar a las hojas y flores, se evapora hacia el aire en forma de vapor de agua. Este fenómeno es la transpiración.

 

El Dr. Rodrigo Vargas Ramos, investigador del Departamento de Biología de la Conservación, se interesa en el estudio de ecología de ecosistemas, por lo que enfoca sus esfuerzos en las entradas y salidas de masas de energía que fluyen en ellos. El agua, por tanto, es muy importante para el transporte dentro de los ecosistemas. Masas de agua que entran y salen son constantes y marcan los pulsos de vida presentes en ellos. Los científicos estiman esas entradas y salidas de elementos como el agua, en milímetros por metro cuadrado o por hectárea en alguna unidad de tiempo (días, meses, años). 

 

Por otro lado la energía también es muy importante para el agua y para los ecosistemas, porque al calentarse con los rayos solares, el agua se evapora, y la energía necesaria para realizar el cambio de fase del agua (de líquido a gas) se mide en watts. El calor latente es justo ese consumo de energía que hace que el agua cambie de una forma a otra; es decir, que pueda pasar de líquida a gas, transformación que tiene un costo energético. De esta manera se cumple una máxima: la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma; frase de Lavoisier, que en realidad es la Ley de la Conservación de la Materia. Es así como la energía entrante que proviene del sol, se va a transformar y produce la evapotranspiración. Parecería magia, pero las plantas son esos bellos y apacibles seres que hacen posible la existencia de esta parte fundamental del ciclo del agua. 

 

La atmósfera también pierde agua por condensación (rocío o escarcha) que pasan según el caso al terreno, a la superficie del mar o a la banquisa (hielo marino flotante). En el caso de la lluvia, la nieve y el granizo (cuando las gotas de agua de la lluvia se congelan en el aire), la gravedad determina la caída; mientras que en el rocío y la escarcha el cambio de estado se produce directamente sobre las superficies que cubren al encontrarse a una temperatura más fría.

Rodrigo Vargas conecta en sus investigaciones al ciclo del agua con otro vital ciclo,

el del carbono. El carbono es una unidad de energía, es una unidad metabólica e incluso morfológica, ya que nuestras células están hechas en buena medida por carbono. 

 

Las plantas hacen un balance entre la fotosíntesis -o fijación del carbono-, y el uso de agua. Esa relación entre cuánto carbono pueden fijar las plantas y cuál es el costo de agua que van a utilizar para conseguirlo, es lo que se conoce como uso eficiente del agua. Las plantas regulan este balance a través de sus estomas, que son los “poros” o aberturas por los que las plantas realizan ese intercambio gaseoso. Va a entrar bióxido de carbono (CO₂) y a salir oxígeno y vapor de agua. Así, las plantas abren o cierran sus estomas dependiendo de las condiciones ambientales. Un movimiento sutil que regula dos ciclos determinantes para la vida en la Tierra. 

 

En el laboratorio de Rodrigo Vargas es posible realizar mediciones de flujos verticales, por lo que sus resultados son pasos relevantes, a nivel regional en el Valle de Guadalupe, Baja California y en México a nivel nacional. Los datos que posee en este último nivel son inéditos, no los tiene ninguna agencia de gobierno, ya que por medio de modelado generaron un mapa de evapotranspiración del país, con datos del 2000 al 2003 y resolución con escala de 1x1 kilómetros. Se trata de un aporte único y relevante, sin precedentes en México. Lo que sí, es que esta información se tiene que corroborar a múltiples escalas espaciales y temporales, porque este mapa es una interpretación de la realidad, es un modelo.  Para el rancho Mogor Badán cuentan con datos del 2008 al 2012 de flujos de agua (evapotranspiración: la combinación de evaporación y transpiración) y una tesis de Maestría dentro del CICESE se encuentra en proceso. Pronto contarán con los mapas nacionales que indiquen los flujos de agua y fotosíntesis para todo el país del 2000 al 2010 con resolución de 1x1 kilómetros. Finalmente Rodrigo Vargas comenzará a medir la evapotranspiración en viñedos del Valle de Guadalupe para así poder comparar el impacto del cambio de uso de suelo (vegetación natural vs plantaciones de vid) y evaluar los distintos tipos de manejo (como riego y fertilización) en este importante cultivo para la región.

   

 

Escucha a Rodrígo Vargas comentando las variaciones en la cantidad de lluvia que enfrentará México en los próximos años.

Samuel Villareal Rodríguez es el estudiante de maestría de Rodrígo quién se encuentra revisando dos sitios muy diferentes en cuanto a regímenes pluviales. Se trata de comparar tres años de datos obtenidos en el Mogor, del Valle de Guadalupe con los mismos años en Rayón, Sonora. Lo que le resulta muy interesante a este grupo de investigación es que en Baja California hay un clima mediterráneo, con lluvias en invierno y radiación solar baja, y temporada seca en verano con radiación alta. Mientras que en Sonora, que está afectado por el monzón de Norteamérica, en invierno hay temperaturas bajas con baja precipitación, y en verano hay alta radiación e igualmente alta precipitación. Los resultados que este grupo de investigación ha encontrado son que la evapotranspiración en Rayón, Sonora, es predecible, porque el agua cae en los meses de verano cuando hay mucha radiación solar constante. Entonces la relación entre cantidad de agua que cae en el suelo y la radiación del sol que existe es lo que dirige esos flujos de evapotranspiración. Es decir, si cae agua habrá evapotranspiración en ese sitio. En el Mogor ubicado en el Valle de Guadalupe, Baja California, la situación es diferente ya que ningún factor ambiental está fuertemente relacionado con la precipitación, por lo que concluyen que los flujos de evapotranspiración en esta zona no son predecibles con ecuaciones lineares. Lo que revela que en este campo de la investigación los estudios regionales son de enorme relevancia y urgencia, debido a los cambios climáticos que experimenta el país y el planeta especialmente en las zonas áridas y semiáridas que son dependientes del vital líquido.      

   

 

El agua que precipita en tierra puede tener varios destinos. Una parte es devuelta directamente a la atmósfera por evaporación; otra escurre por la superficie del terreno, escorrentía superficial, que se concentra en surcos y origina las líneas de agua. El agua restante se infiltra, esto es penetra en el interior del suelo; esta agua infiltrada puede volver a la atmósfera por evapotranspiración o profundizarse hasta alcanzar las capas freáticas, es decir más profundas. Tanto el escurrimiento superficial como el subterráneo alimentan los cursos de agua que desaguan en lagos, ríos y océanos.

 

Infiltración: Ocurre cuando el agua que alcanza el suelo, penetra a través de sus poros y pasa a ser subterránea. La proporción de agua que se infiltra y la que circula en superficie depende de la permeabilidad del sustrato, de la pendiente y de la cobertura vegetal. Parte del agua infiltrada vuelve a la atmósfera por evaporación o, más aún, por la transpiración de las plantas, que la extraen con raíces más o menos extensas y profundas. Otra parte se incorpora a los acuíferos, niveles que contienen agua estancada o circulante. Parte del agua subterránea alcanza la superficie allí donde los acuíferos, por las circunstancias topográficas, intersectan (es decir, cortan) la superficie del terreno.

En estos pasos del ciclo del agua, en el CICESE hay un experto que profundiza día con día en la  comprensión física del agua. Se trata del Dr. Rogelio Vázquez González, investigador del Departamento de Geofísica Aplicada de la División de Ciencias de la Tierra. Para lograr esta comprensión es preciso contar con conocimiento de las estructuras del subsuelo. Que pueden contener y conducir el agua, por lo que se requiere conocer los materiales que conforman el subsuelo, sus propiedades físicas, porosidad, conductividad hidráulica, entre otros factores.

Información que muchas veces se obtiene a través de métodos indirectos de exploración; allí es donde la geofísica de exploración proporciona herramientas para caracterizar las condiciones subterráneas. Estos métodos pueden compararse con la auscultación que realizan los médicos al interior del cuerpo humano. Por ejemplo, a través de radiografías, tomografías o resonancias magnéticas el especialista llega a conocer el diagnóstico de salud del paciente. El estudio de la infiltración del agua subterránea es similar –comenta Rogelio Vázquez-, ya que gracias a mediciones realizadas en la superficie del terreno, el investigador y su equipo de colaboradores producen imágenes con tonalidades grises, similares a las reveladas en una radiografía humana. Así llegan a conocer si los terrenos tienen suficiente permeabilidad como para formar un acuífero, o si lo que determinan es el fondo impermeable del mismo, o bien la relación entre materiales más o menos conductores. También les interesa la presencia de agua salada, salobre o agua dulce y si el acuífero tiene mezclas de estos tipos de agua, para diagnosticar si es potable o requiere tratamiento. 

 

Escucha a Rogelio Vázquez hablándonos sobre la geo-hidrología dentro del ciclo del agua.

 

 

Rogelio Vázquez graduó de Maestría a Laura Elizabeth Gil Venegas en el 2010, con un modelo numérico para determinar el impacto por la operación de pozos costeros en la zona  del acuífero de Maneadero. La ubicación de los pozos ya está determinada por la CESPE (Comisión Estatal de Servicios Públicos de Ensenada), que acepta una variación a lo largo de la costa a una distancia no mayor de 600 m, para decidir colocarlos donde la operación de los pozos afecte lo menos posible al acuífero. Los resultados demostraron que los pozos costeros extraerán agua en mayor porcentaje de la zona costera. No se observa que la construcción de los pozos afecte la disponibilidad de agua dulce en el acuífero, siendo evidente que, en temporada de lluvias, los pozos extraen agua del acuífero pero en un porcentaje mínimo. Las recomendaciones que se desprenden de este trabajo son: realizar más estudios geohidrológicos y un monitoreo constante de los pozos que ya operan en el acuífero, para tener datos con los cuales se pueda calibra el modelo y dar una predicción con mayor certidumbre del comportamiento del potencial hidráulico y poder dar un uso sustentable al recurso.

Este año -2012- otra estudiante de Rogelio, Dania Isaura Pasillas Pasillas trabaja en la evaluación geohidrológica de la fracción norte del acuífero Valparaíso, Zacatecas. de conocer el origen de la problemática con el suministro de agua en la región, caracterizar parte del acuífero, identificar condiciones geológicas que pudieran favorecer el flujo de agua subterránea, definir el comportamiento del nivel piezométrico, así como analizar la calidad de agua. Para el análisis y evaluación del acuífero se estudió la geología regional y local, la información estratigráfica e hidrogeológica disponible, se realizó la delimitación de la zona de estudio y el análisis de la información mediante la aplicación de herramientas de Sistemas de Información Geográfica (SIG). Posteriormente se adquirieron datos aeromagnéticos de toda el área estudiada y realizaron visitas de campo para la recopilación y análisis de muestras de agua, provenientes de pozos y norias en la zona, para establecer la clasificación y características físico-químicas del agua, y determinar la relación entre el recurso y la geología del lugar, analizando factores que intervienen en la cantidad y calidad de agua que se extrae.