La química del fin del mundo

La química no entiende de ética, ni de moral; no es buena ni tampoco mala. La química es química. Si se emplea adecuadamente puede contribuir a mejorar la calidad de las vidas de muchas personas; en cambio, cuando se hace un mal uso de ella, las consecuencias pueden ser desastrosas.

Las reacciones químicas gobiernan y controlan prácticamente la totalidad de los procesos biológicos que conocemos. Pero, en ocasiones, esas mismas reacciones se pueden tornar mortales para los seres vivos y terminar con ellos para siempre. Ha ocurrido varias veces en la historia de la Tierra y podría volver a suceder. La química podría provocar el fin del mundo.

Vivimos en un planeta poblado por más de siete mil millones de seres humanos y hay que alimentarlos a todos. La riqueza está desigualmente repartida y las diferencias llegan a ser sonrojantes en muchos casos. Las necesidades, cada vez mayores, del mundo "desarrollado", en cuanto a materia prima, alimentos y tecnología hacen que la sobreexplotación de los recursos llegue a extremos intolerables y peligrosos. En este sentido, por citar tan sólo un ejemplo, el empleo de fertilizantes para el crecimiento de los cultivos. Estos productos contienen cantidades importantes de nitrógeno y fósforo. Si no se tiene el cuidado adecuado, estos elementos pueden ir a parar al agua de los ríos o mares, provocando efectos indeseables.


Otro caso similar son los pesticidas empleados en la agricultura o la ganadería para acabar con plagas o parásitos molestos. Algunos de ellos, como los neonicotinoides, han sido relacionados con las desapariciones masivas de abejas y abejorros. Productos como el imidacloprid, prohibido en Francia en la década de 1990, o la clotianidina en Alemania en 2008, han sido relacionados con la muerte de ingentes cantidades de insectos polinizadores.

Desde la década de los años 50 del siglo pasado, cuando se detectó por vez primera la caída en las poblaciones de abejas y abejorros en Gran Bretaña, se han producido reducciones de hasta el 96 % en algunas especies y otras se han extinguido para siempre. Algunas sustancias químicas presentes en los pesticidas producen daños irreversibles en los cerebros de las abejas, bloqueando la transmisión de las señales eléctricas y químicas entre las neuronas.

La desaparición de los insectos encargados de la polinización constituye un problema muy serio, pues de ellos depende, en gran parte, un porcentaje no pequeño de la economía mundial de las frutas, verduras, el café, la soja o el algodón, por ejemplo.

Ante una situación tan alarmante, la solución adoptada por muchos granjeros ha consistido en comenzar a emplear a las abejas melíferas en la labor de polinización, lo cual ha provocado una sobreexplotación de estos animales, con la consiguiente aparición de parásitos y enfermedades. Recientemente, se está experimentando con la abeja azul del huerto, una especie de abeja que no vive en colmenas y cuyo rendimiento puede llegar a ser hasta 50 veces superior al de la abeja melífera.

Como os contaba un poco más arriba, el empleo incontrolado e irresponsable de fertilizantes puede conducir a la contaminación de las aguas. Se contribuye así a la proliferación de algas que, al morir, son metabolizadas por microbios que consumen oxígeno en el proceso, obligando a peces y mamíferos a abandonar las "zonas muertas" que se generan. Cuando las plantas que viven en estos lugares no son consumidas por los animales que han huido, mueren y van a parar al fondo, descomponiéndose y liberando cantidades importantes de sulfuro de hidrógeno, además de otros gases.

Precisamente, procesos como los descritos en el párrafo anterior tuvieron lugar, con consecuencias catastróficas, hace unos 90 millones de años, cuando una inusual actividad volcánica en nuestro planeta provocó que las temperaturas reinantes fuesen inusualmente elevadas debido a las ingentes emisiones de dióxido de carbono, gas que produce un importante efecto invernadero. Dicho aumento de la temperatura hace que menos oxígeno se disuelva en el agua del océano, contribuyendo aún más a la anoxia de las aguas.

Los volcanes habían sembrado el océano superior con grandes cantidades de metales, lo que condujo, a su vez, a un aumento desmesurado en la producción de fitoplancton. Al descomponerse la materia orgánica, el uso de oxígeno se elevó en consecuencia.

Normalmente, en los océanos, el nivel de oxígeno es similar en las aguas superficiales y en el fondo, ya que las corrientes lo arrastran hacia abajo. Los paleogeólogos han averiguado, gracias al registro fósil, que hacia finales del Pérmico tuvieron lugar extinciones masivas, tanto en el mar como en tierra firme. Por un lado, en los sedimentos marinos se han hallado evidentes pruebas de la existencia de bacterias que consumían sulfuro de hidrógeno. Por otro, se sabe que estos organismos solamente viven y proliferan en ambientes pobres en oxígeno, por lo que seguramente debió de existir una enorme carestía de este gas en la superficie del océano y la consecuente riqueza en sulfuro de hidrógeno.

Cuando el H2S producido en el fondo asciende y se encuentra con el oxígeno en una zona denominada quimioclina, se produce una situación muy favorable para las bacterias verdes y púrpuras del azufre, las cuales disfrutan, por una parte, del sulfuro de hidrógeno que llega de abajo y, por otra, de la luz solar que incide desde arriba. Si por las razones aducidas antes el oxígeno comienza a escasear entonces las bacterias pasan a tomar el control, empiezan a producir H2S en exceso y la quimioclina se desplaza cada vez más a aguas superficiales. El gas, tóxico tanto para las plantas como los animales, se libera a la atmósfera, envenenándolos a todos ellos y dañando, asimismo, la capa de ozono. En la actualidad, se han catalogado más de 400 "zonas muertas" anóxicas por todo el mundo, la mayor de ellas en el mar Báltico.

Sin embargo, el peligro potencial provocado por las erupciones volcánicas no termina aquí. En efecto, a lo largo de la historia de nuestro planeta han tenido lugar eventos de este tipo de una especial violencia conocidos como supervolcanes. Estos fenómenos son capaces de expulsar miles de millones de toneladas de material rocoso, lava y cenizas. El último tuvo lugar hace unos 75.000 años, cuando el lago Toba, en Sumatra, voló prácticamente por los aires. Un evento así probablemente cubriría extensas zonas continentales con una capa de escombros de varios centímetros de espesor, arruinando todas las cosechas, contaminando el agua potable. Los flujos piroclásticos, a más de 1000 ºC arrasarían cuanto encontrasen a su paso a casi 700 km/h. Los gases liberados a la atmósfera, principalmente dióxido de azufre, dióxido de carbono y cloro, bloquearían la luz solar. El primero de ellos, además, reaccionaría con el vapor de agua, dando lugar a ácido sulfúrico que permanecería en la estratosfera en forma de aerosol durante años, con el consiguiente descenso drástico de la temperatura global del planeta, pudiendo desencadenar una nueva glaciación.

A decir verdad, glaciaciones particularmente extremas, conocidas como eventos bola de nieve, han acaecido en varias ocasiones. Se cree que la primera tuvo lugar cuando la Tierra tenía tan sólo la mitad de su edad actual, hace unos 2.200 millones de años; en cambio, la última sucedió hace 700 millones de años, cuando nuestro planeta estaba ocupado por el supercontinente Rodinia y la luz que recibía del Sol era un 6 % menor que ahora.


Rodinia comenzó a fracturarse a causa del aumento inusual de la actividad volcánica provocada por el movimiento del magma. Al quedar en contacto con el agua del océano una mayor superficie de tierra, las regiones húmedas se multiplicaron considerablemente. Las precipitaciones aumentaron de forma desmesurada, haciendo que la lluvia absorbiera ingentes cantidades de CO2 transformándose en ácido carbónico. Cuando éste cayó al suelo, provocó reacciones químicas que terminaron con las rocas, creando suelo nuevo mediante un proceso denominado meteorización de los silicatos.

El dióxido de carbono es un gas con un papel esencial en el efecto invernadero de nuestro planeta. Mientras desaparecía a pasos agigantados engullido por el agua de las incesantes lluvias que caían sobre la superficie de la tierra, las temperaturas empezaron a descender de forma alarmante, hasta alcanzarse varias decenas de grados por debajo de cero, incluso en los trópicos. Comenzó a proliferar el hielo y la radiación procedente del Sol escapaba al espacio en un proceso de autoalimentación cada vez más acusado. Tuvieron que ser, una vez más, los volcanes, los que devolviesen a la Tierra a un estado más cálido al ir liberando continuamente más y más dióxido de carbono que ya no era eliminado por la lluvia, pues el planeta entero se hallaba cubierto de hielo. Al aumentar de nuevo la temperatura global, el hielo se fundió rápidamente y se evaporaron inmensas cantidades de agua que contribuyeron, más aún, al efecto invernadero desbocado. El agua muy caliente de los océanos tuvo que provocar, necesariamente, huracanes de proporciones épicas.


Normalmente, el aire que se encuentra sobre el agua del océano no está en equilibrio térmico con ella. De esta manera, se produce una evaporación que se lleva consigo el calor recibido del Sol. Es sobre estas aguas que se están formando continuamente tormentas. Cuando los vientos sobrepasan los 119 km/h reciben el nombre de huracanes (también tifones o ciclones, dependiendo de la región del mundo donde se trate).

El aire cálido y húmedo de la superficie del mar alimenta al huracán, ascendiendo en su parte central, lo que contribuye a reforzar el área de bajas presiones y que favorece la entrada de más cantidad de aire desde las regiones circundantes de altas presiones.

Las simulaciones por ordenador parecen demostrar que si un área con una extensión no superior a 50 kmexperimentase un inusual incremento de la temperatura (por ejemplo, después de un evento bola de nieve), por encima de 45-50 ºC, se podría generar una supertormenta, un hipercán, con vientos superiores a los 1.000 km/h. El ojo de este monstruo abarcaría cientos de kilómetros de diámetro y la tormenta se extendería a lo largo de miles, cubriendo incluso la superficie de un continente. Semejante fenómeno atmosférico, aunque altamente improbable en las condiciones actuales de nuestro mundo, podría desencadenarse a causa del impacto de un asteroide en el mar o la erupción de un volcán submarino gigante.

El hipercán arrastraría hasta la estratosfera varios kilogramos de agua por segundo. Al cabo de unas pocas semanas, el aire estaría tan saturado de agua que se formarían nubes extremadamente altas que reducirían considerablemente la cantidad de radiación solar incidente sobre la superficie de la Tierra. Las moléculas de H2O se descompondrían en enormes cantidades de radicales libres altamente reactivos. Las gotas de agua de las nubes harían de catalizadores en nuevas reacciones químicas que activarían, por ejemplo, el cloro presente en el agua salada del mar, y desactivarían los óxidos de nitrógeno. Todo ello haría la destrucción del ozono cada vez más eficaz.

El ozono es un gas formado por moléculas constituidas por tres átomos de oxígeno, en lugar de los dos habituales, que se encuentra mayormente en la estratosfera, a una altura por encima de la superficie de la Tierra de entre 10-15 km. Su papel es evitar la llegada al suelo de los nocivos rayos ultravioletas procedentes del Sol.

La radiación ultravioleta se suele clasificar en tres categorías: A, B y C, de menos a más nociva para la vida. La última de ellas es absorbida completamente por las moléculas de ozono; la segunda parcialmente, lo cual es deseable, ya que a pesar de sus efectos perniciosos, también resulta esencial para que el cuerpo humano produzca vitamina D, básica en el buen desarrollo y salud de los sistemas óseo y nervioso. Si la radiación ultravioleta rompe los enlaces que mantienen unidas las moléculas de ADN pueden llegar a aparecer errores en la replicación, dando lugar a tumores cancerígenos.

En la década de 1970 se detectó un agujero en la capa de ozono que rodea nuestro planeta. Las razones pronto quedaron claras: el empleo continuado durante años de gases conocidos como CFC (clorofluorocarbonos) presentes en los extintores, los aparatos frigoríficos o de aire acondicionado, esprays, etc. Estos compuestos presentan una considerable estabilidad química que les hace llegar prácticamente inalterados a la estratosfera. Una vez allí, los fotones ultravioletas del Sol liberan el cloro de las moléculas del CFC, que es el que ataca al ozono, rompiendo los enlaces de sus moléculas.

Aunque, finalmente, en el año 1987 la firma del Protocolo de Montreal, suscrito por casi 200 países, acordó eliminar de forma progresiva el uso de los clorofluorocarbonos e ir sustituyéndolos por otros gases menos nocivos como los HCFC (hidroclorofluorocarbonos) o los HFC (hidrofluorocarbonos), lo cierto es que el peligro recae ahora en otros compuestos como pueden ser los iones hidroxilo y, especialmente, el óxido nitroso o N2O, un subproducto de la agricultura y otros procesos industriales y muy utilizado en odontología (como anestésico, conocido como "gas de la risa").

Pero los problemas con los óxidos de nitrógeno no terminan aquí. Un día cualquiera podríamos levantarnos, asomarnos a la ventana, y observar un cielo inusualmente oscuro y respirar un aire terriblemente tóxico. En el improbable caso de que sobreviviésemos quizá nos enterásemos de que una estrella enormemente masiva y relativamente lejana, no más allá de unos 6.000 años-luz, había sido la responsable.

Cuando una de estas estrellas termina su vida de consumo de combustible nuclear desbocado, colapsa provocando una explosión de una violencia inimaginable conocida como hipernova, probablemente el fenómeno más energético conocido del universo. Durante el evento, lo que queda de la estrella emite dos gigantescos destellos de rayos gamma de altísima frecuencia en direcciones opuestas y que se pueden prolongar durante varios minutos, irradiando tanta energía como el Sol a lo largo de toda su existencia.


Si uno de estos haces, conocidos por los astrofísicos como GRB (gamma ray burst), apuntase de forma casual directamente hacia nuestro planeta, los fotones arrancarían literalmente los electrones de los átomos presentes en la atmósfera terrestre, ionizándolos. Las moléculas de oxígeno y nitrógeno se dividirían dando lugar a la formación de NO (óxido nítrico) y del temible dióxido de nitrógeno, NO2, el veneno con el que nos despedimos del mundo, tal y como una vez lo conocimos...



Fuente:
50 maneras de destruir el mundo. Alok Jha. Ariel. 2012.



Doctor Who contra la "materia extraña"


En el episodio de la 20ª temporada de la mítica serie Doctor Who titulado "Arc of Infinity", se describe una región del espacio carente de toda actividad estelar, antiguamente ocupada por una estrella de quarks, Rondel, los restos de la explosión en forma de supernova de una estrella muy masiva.

Las estrellas de quarks son estructuras más allá de las más conocidas estrellas de neutrones. En éstas, los protones se han combinado con los electrones debido a la enorme atracción gravitatoria. En aquéllas, dicha atracción llega a superar incluso a los efectos cuánticos (presión de degeneración) que hacen mantenerse estables a los neutrones y éstos se descomponen en sus componentes más básicos: los quarks. Las estrellas de quarks, si realmente existen, cosa que aún no está clara, deben ser más densas que las de neutrones, pero no tanto como para colapsar y dar lugar a la aparición de un agujero negro estelar. Al igual que sucede en el episodio arriba citado del quinto doctor, las estrellas de quarks como Rondel pueden llegar a estar rodeadas por campos magnéticos tan intensos como un billón de veces el de nuestro planeta, la Tierra. Aunque hay muy pocas candidatas conocidas a ser estrellas de quarks, cabe citar el objeto RXJ1856, descubierto en 2002 por un equipo de astrónomos liderado por el doctor Jeremy Drake en el Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (Cambridge, Massachussetts, USA). Drake y sus colaboradores determinaron el diámetro del objeto, obteniendo unos 11 kilómetros, demasiado pequeño para ser una estrella de neutrones y, al mismo tiempo, demasiado brillante para tratarse de un agujero negro. Lo interpretaron como una posible estrella de quarks, aunque no descartaban otras posibilidades más "estándar". Más recientemente, parece haber sido descartada la primera hipótesis.

Actualmente los físicos piensan que una estrella de quarks podría estar hecha de lo que se denominaría "materia extraña", un término acuñado a mediados de la década de los años 1980 por E. Farhi y R. Jaffe. La materia extraña estaría compuesta por fragmentos mucho más pequeños denominados "strangelets". Pero, ¿qué es un strangelet y por qué estoy hablando de ello aquí?


El Modelo Estándar de la física de partículas establece que todas las partículas que conocemos se pueden englobar en dos categorías denominadas leptones y quarks, cada una de las cuales aparecen bajo seis formas distintas. Me centraré en los quarks, que son los que tendrán relación con la materia extraña. Las seis familias de quarks conocidos se clasifican, a su vez, en tres generaciones, que son (en orden creciente de masa) : up y down, strange y charm, top y bottom. Las partículas subatómicas que conforman los núcleos atómicos de la materia ordinaria (los protones y los neutrones) están compuestas por tres quarks (dos up y uno down, en el caso de los protones y dos down y uno up, en el caso de los neutrones). Pues bien, un strangelet sería, dicho muy sencillamente, un estado o una hipotética partícula compuesta por un número igual de quarks up, down y strange (extraño, en inglés; de aquí los términos "strangelet" y "materia extraña").

Un strangelet tendría una vida extremadamente corta (de una fracción minúscula de un segundo) y acabaría desapareciendo, ya que el quark strange es extremadamente inestable. Sin embargo, A. Bodmer primero, en 1971 y, posteriormente, Ed Witten, en 1984, establecieron la hipótesis de la materia extraña. Según esta hipótesis (no ha sido, hasta el momento, corroborada ni comprobada en ningún experimento) un strangelet que estuviese formado por una gran cantidad de quarks podría ser más estable que los propios núcleos atómicos. Si este strangelet colisionara con un núcleo atómico de materia ordinaria, quizá lograría transformarlo en otro strangelet. Durante este proceso se liberaría energía que serviría de catalizador para otros muchos procesos similares. Así, se iniciaría una reacción en cadena que acabaría por transformar toda la materia ordinaria en strangelets. Dicho de otra forma: en materia extraña.

En la ciencia ficción no son pocas las ocasiones en que se aborda el tema de la materia extraña. Así, el séptimo Doctor Who, durante la 24ª temporada, se enfrenta en "Time and the Rani" a la malvada Rani, una "señora del tiempo" (Time Lady), quien pretende nada menos que volar un asteroide hecho de materia extraña, con la esperanza de destruir gran parte de nuestra galaxia. Otros ejemplos podéis encontrarlos en este artículo de la Wikipedia.

¿Podrían ser reales unos escenarios como los anteriores? ¿Qué sucedería si un strangelet colisionase con nuestro planeta? ¿Existen los strangelets en el universo o deben producirse mediante experimentos diseñados a propósito? ¿Podría haber strangelets vagando por el espacio interestelar? ¿Y si colisiones cósmicas naturales entre strangelets y materia ordinaria fuesen las responsables de la materia oscura, esa gran desconocida?

Hasta no hace mucho tiempo, hemos podido ver, escuchar y leer en la prensa todo tipo de sensacionalismos y escenarios apocalípticos sobre la producción de agujeros negros devoradores en el LHC, el gran colisionador de hadrones del CERN. Los científicos, agobiados y preocupados por la presión mediática, tuvieron que elaborar un informe donde expresaban sus opiniones (basadas en cálculos más que razonables) acerca del asunto, y concluían que semejantes desastres eran altísimamente improbables (la palabra imposible no suele usarse en el vocabulario de la ciencia).

Más de seis décadas antes, en 1942, Edward Teller, uno de los padres de la bomba atómica, se planteó también cuestiones similares, como la del hipotético incendio de toda la atmósfera terrestre en caso de que se llevase a cabo una detonación nuclear. En aquel entonces, tuvo que ser Hans Bethe quien llevase a cabo los cálculos que descartaban el apocalipsis. Posteriormente, en la década de los años 1950 la paranoia volvería a surgir con la invención de la bomba H, la bomba de fusión, mucho más poderosa que la de fisión. Otro físico, Gregory Briet, evaluaría las posibilidades de catástrofe global, llegando a la conclusión de siempre: remotas.

Más recientemente, en 1999, un año antes de la entrada en funcionamiento del RHIC (Acelerador Relativista de Iones Pesados), se planteó la posibilidad del escenario en el que las colisiones entre iones muy pesados, como los de oro o plomo (con 79 y 82 protones, así como 118 y 125 neutrones, respectivamente) podrían dar lugar a la formación de los temidos strangelets, que terminarían por asociarse y reducir todo el planeta Tierra a una esfera hiperdensa de unos 100 metros de diámetro, según las predicciones teóricas. Hay que tener en cuenta que en una colisión entre dos iones de oro, plomo o similar a altas velocidades, del orden de la de la luz en el vacío, se producirían más de 1.000 quarks (tres por cada protón o neutrón).


En esta ocasión, personas del prestigio del premio Nobel de física Sheldon Glashow, junto con Richard Wilson, pusieron de manifiesto que la conversión de la Tierra en un montón de materia extraña era altamente improbable (inferior a 1 posibilidad en 50 millones). Para ilustrar sus razonamientos, Glashow y Wilson tomaron el ejemplo de la Luna. Efectivamente, un astro como nuestro satélite natural, donde no existe atmósfera, sufre continuamente los impactos cósmicos de partículas pesadas que se desplazan a altas velocidades. ¿Por qué, entonces, sigue ahí y no se ha reducido a una masa informe y caliente de materia extraña?


Aunque el anterior razonamiento nos puede dejar más o menos tranquilos, otros investigadores, como Sir Martin Rees, advierten de que la situación de la Luna no es extrapolable a una situación como la que se tiene en un experimento en un acelerador de partículas. Rees argumenta que cuando una partícula relativista colisionase contra la superficie lunar, golpearía un núcleo atómico en reposo. Esto podría hacer que los strangelets resultantes saliesen despedidos con enorme violencia y se desintegrasen rápidamente, no volviendo a interactuar con otros núcleos atómicos, deteniéndose así la reacción en cadena. Sin embargo, en los aceleradores de partículas terrestres, debido a su diseño, la colisión se produce entre dos haces que se mueven en sentidos opuestos a lo largo del anillo. Tras el impacto, los strangelets podrían quedar en relativo reposo, teniendo la posibilidad de adueñarse de la materia ordinaria próxima. ¿Aterrador, no es cierto?

Pues no tanto, la verdad sea dicha. Y es que los físicos, esos seres de mentes superiores capaces de dejar a la altura de una nuez cualquier otro cerebro, han llegado a la asombrosa conclusión de que si los strangelets realmente llegasen a formarse deberían poseer una carga eléctrica positiva, lo que perjudicaría enormemente la interacción con los núcleos atómicos debido a la repulsión culombiana con los protones. Lo más probable es que los strangelets acabasen rápidamente apantallados por una nube de electrones que vendrían a nuestro rescate. Y es que no hay nada como la carga negativa... ¡¡Siempre negatiffo, nunca positiffo!!



Fuentes:

The Science of Doctor Who. Paul Parsons. Icon Books. 2006.
Our Final Hour. Sir Martin Rees. Basic Books. 2003.
50 maneras de destruir el mundo. Alok Jha. Ariel. 2012.