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Primavera calurosa

Grand Prismatic Spring y Midway Geyser Basin en el Parque Nacional de Yellowstone

Una fuente termal , manantial hidrotermal o manantial geotérmico es un manantial producido por la emergencia de agua subterránea calentada geotermalmente sobre la superficie de la Tierra. El agua subterránea se calienta mediante masas poco profundas de magma (roca fundida) o mediante la circulación a través de fallas hacia rocas calientes en las profundidades de la corteza terrestre . En cualquier caso, la fuente última de calor es la desintegración radiactiva de los elementos radiactivos que se producen naturalmente en el manto terrestre , la capa debajo de la corteza.

El agua termal suele contener grandes cantidades de minerales disueltos. La química de las aguas termales varía desde manantiales de sulfato ácido con un pH tan bajo como 0,8, hasta manantiales de cloruro alcalino saturados con sílice y manantiales de bicarbonato saturados con dióxido de carbono y minerales carbonato . Algunos manantiales también contienen abundante hierro disuelto. Los minerales traídos a la superficie en las aguas termales suelen alimentar a comunidades de extremófilos , microorganismos adaptados a condiciones extremas, y es posible que la vida en la Tierra haya tenido su origen en las aguas termales. [1] [2]

Los seres humanos han utilizado las aguas termales para bañarse, relajarse o realizar terapias médicas durante miles de años. Sin embargo, algunos están lo suficientemente calientes como para que la inmersión pueda ser perjudicial, provocando quemaduras y, potencialmente, la muerte. [3]

Definiciones

No existe una definición universalmente aceptada de fuente termal. Por ejemplo, se puede encontrar la frase aguas termales definida como

Manantiales de agua caliente en Río Quente, Brasil

El término relacionado " manantial cálido " se define como un manantial con una temperatura del agua menor que la de un manantial termal según muchas fuentes, aunque Pentecost et al. (2003) sugieren que la frase "primavera cálida" no es útil y debería evitarse. [9] El Centro de Datos Geofísicos de la NOAA de EE. UU. define un "manantial cálido" como un manantial con agua entre 20 y 50 °C (68 y 122 °F).

Fuentes de calor

El agua que brota de una fuente termal se calienta geotérmicamente , es decir, con calor producido por el manto terrestre . Esto se lleva a cabo de dos maneras. En áreas de alta actividad volcánica, puede haber magma (roca fundida) a poca profundidad en la corteza terrestre . El agua subterránea es calentada por estos cuerpos de magma poco profundos y sube a la superficie para emerger en una fuente termal. Sin embargo, incluso en áreas que no experimentan actividad volcánica, la temperatura de las rocas dentro de la tierra aumenta con la profundidad. La tasa de aumento de temperatura con la profundidad se conoce como gradiente geotérmico . Si el agua se filtra lo suficientemente profundamente en la corteza, se calentará al entrar en contacto con la roca caliente. Esto generalmente ocurre a lo largo de fallas , donde los lechos de rocas destrozadas proporcionan caminos fáciles para que el agua circule a mayores profundidades. [18]

Gran parte del calor se genera por la desintegración de elementos naturalmente radiactivos. Se estima que entre el 45 y el 90 por ciento del calor que se escapa de la Tierra proviene de la desintegración radiactiva de elementos ubicados principalmente en el manto. [19] [20] [21] Los principales isótopos productores de calor en la Tierra son el potasio-40 , el uranio-238 , el uranio-235 y el torio-232 . [22] En áreas sin actividad volcánica, este calor fluye a través de la corteza mediante un lento proceso de conducción térmica , pero en áreas volcánicas, el calor es transportado a la superficie más rápidamente por cuerpos de magma. [23]

El calor radiogénico de la desintegración de 238 U y 232 Th es ahora el principal contribuyente al balance térmico interno de la Tierra .

Una fuente termal que periódicamente arroja agua y vapor se llama géiser . En zonas volcánicas activas como el Parque Nacional de Yellowstone , el magma puede estar presente a poca profundidad. Si se conecta una fuente termal a una gran cisterna natural cerca de dicho cuerpo de magma, el magma puede sobrecalentar el agua de la cisterna, elevando su temperatura por encima del punto de ebullición normal. El agua no hervirá inmediatamente, porque el peso de la columna de agua sobre la cisterna presuriza la cisterna y suprime la ebullición. Sin embargo, a medida que el agua sobrecalentada se expande, parte del agua emergerá a la superficie, reduciendo la presión en la cisterna. Esto permite que parte del agua de la cisterna se convierta en vapor, lo que expulsa más agua de la fuente termal. Esto conduce a una condición desbocada en la que una cantidad considerable de agua y vapor son expulsados ​​a la fuerza de la fuente termal a medida que se vacía la cisterna. Luego, la cisterna se vuelve a llenar con agua más fría y el ciclo se repite. [24] [25]

Los géiseres requieren tanto una cisterna natural como una fuente abundante de agua más fría para rellenar la cisterna después de cada erupción del géiser. Si el suministro de agua es menos abundante, de modo que el agua hierve lo más rápido que puede acumularse y sólo llega a la superficie en forma de vapor , el resultado es una fumarola . Si el agua se mezcla con barro y arcilla , el resultado es una vasija de barro . [24] [26]

Un ejemplo de manantial cálido no volcánico es Warm Springs, Georgia (frecuentado por sus efectos terapéuticos por el parapléjico presidente estadounidense Franklin D. Roosevelt , quien construyó allí la Pequeña Casa Blanca ). Aquí el agua subterránea se origina en forma de lluvia y nieve ( agua meteórica ) que cae sobre las montañas cercanas, que penetra en una formación particular (Hollis Quartzite) a una profundidad de 3000 pies (910 m) y se calienta por el gradiente geotérmico normal. [27]

Química

Hammam Maskhoutine en Argelia , un ejemplo de fuente termal de bicarbonato

Debido a que el agua calentada puede contener más sólidos disueltos que el agua fría, el agua que brota de las fuentes termales a menudo tiene un contenido mineral muy alto y contiene de todo, desde calcio hasta litio e incluso radio . La química general de las aguas termales varía desde cloruro alcalino hasta sulfato ácido , bicarbonato y fuentes ricas en hierro , cada uno de los cuales define un miembro final de una gama de posibles químicas de aguas termales. [28] [29]

Las aguas termales de cloruro alcalino se alimentan de fluidos hidrotermales que se forman cuando el agua subterránea que contiene sales de cloruro disueltas reacciona con rocas de silicato a alta temperatura. Estos manantiales tienen un pH casi neutro pero están saturados de sílice ( SiO 2 ). La solubilidad de la sílice depende en gran medida de la temperatura, por lo que al enfriarse, la sílice se deposita como geyserita , una forma de ópalo (ópalo-A: SiO 2 ·nH 2 O ). [30] Este proceso es lo suficientemente lento como para que la geyserita no se deposite inmediatamente alrededor del respiradero, sino que tiende a formar una plataforma baja y amplia a cierta distancia alrededor de la abertura del manantial. [31] [29] [32]

Las aguas termales de sulfato ácido se alimentan de fluidos hidrotermales ricos en sulfuro de hidrógeno ( H 2 S ), que se oxida para formar ácido sulfúrico , H 2 SO 4 . [31] De este modo, el pH de los fluidos se reduce a valores tan bajos como 0,8. [33] El ácido reacciona con la roca para alterarla en minerales arcillosos , minerales de óxido y un residuo de sílice. [29]

Las aguas termales de bicarbonato se alimentan de fluidos hidrotermales que se forman cuando el dióxido de carbono ( CO 2 ) y el agua subterránea reaccionan con las rocas carbonatadas . [31] Cuando los fluidos llegan a la superficie, el CO 2 se pierde rápidamente y los minerales carbonatados precipitan en forma de travertino , de modo que las fuentes termales de bicarbonato tienden a formar estructuras de alto relieve alrededor de sus aberturas. [29]

Los manantiales ricos en hierro se caracterizan por la presencia de comunidades microbianas que producen grupos de hierro oxidado a partir del hierro en los fluidos hidrotermales que alimentan el manantial. [34] [29]

Algunas fuentes termales producen fluidos que tienen una química intermedia entre estos extremos. Por ejemplo, las fuentes termales mixtas de sulfato ácido y cloruro son intermedias entre las fuentes de sulfato ácido y cloruro alcalino y pueden formarse mediante la mezcla de fluidos de sulfato ácido y cloruro alcalino. Depositan geyserita, pero en menores cantidades que los manantiales de cloruro alcalino. [31]

Caudales

Deildartunguhver , Islandia : la fuente termal de mayor caudal de Europa

Las aguas termales varían en caudal desde las más pequeñas "filtraciones" hasta verdaderos ríos de agua caliente. A veces hay suficiente presión como para que el agua salga disparada hacia arriba en un géiser o fuente .

Aguas termales de alto caudal

Hay muchas afirmaciones en la literatura sobre los caudales de las aguas termales. Hay muchos más manantiales no termales de alto caudal que manantiales geotérmicos. Los manantiales con altos caudales incluyen:

Ecosistemas

Esteras de algas que crecen en la piscina caliente del Mapa de África , Orakei Korako , Nueva Zelanda

Las aguas termales suelen albergar comunidades de microorganismos adaptados a la vida en aguas calientes cargadas de minerales. Estos incluyen los termófilos , que son un tipo de extremófilo que prospera a altas temperaturas, entre 45 y 80 °C (113 y 176 °F). [37] Más lejos del respiradero, donde el agua ha tenido tiempo de enfriarse y precipitar parte de su carga mineral, las condiciones favorecen a los organismos adaptados a condiciones menos extremas. Esto produce una sucesión de comunidades microbianas a medida que uno se aleja del respiradero, lo que en algunos aspectos se asemeja a las etapas sucesivas de la evolución de la vida temprana. [38]

Por ejemplo, en una fuente termal de bicarbonato, la comunidad de organismos inmediatamente alrededor del respiradero está dominada por bacterias termófilas filamentosas , como Aquifex y otros Aquificales , que oxidan el sulfuro y el hidrógeno para obtener energía para sus procesos vitales. Más lejos del respiradero, donde la temperatura del agua ha caído por debajo de los 60 °C (140 °F), la superficie está cubierta con esteras microbianas de 1 centímetro (0,39 pulgadas) de espesor dominadas por cianobacterias , como Spirulina , Oscillatoria y Synechococcus , [ 39] y bacterias verdes del azufre como Chloroflexus . Todos estos organismos son capaces de realizar la fotosíntesis , aunque las bacterias verdes del azufre producen azufre en lugar de oxígeno durante la fotosíntesis. Aún más lejos del respiradero, donde las temperaturas caen por debajo de los 45 °C (113 °F), las condiciones son favorables para una compleja comunidad de microorganismos que incluye Spirulina , Calothrix , diatomeas y otros eucariotas unicelulares , e insectos y protozoos pastoriles. A medida que las temperaturas descienden cercanas a las del entorno, aparecen plantas superiores. [38]

Las aguas termales de cloruro alcalino muestran una sucesión similar de comunidades de organismos, con varias bacterias termófilas y arqueas en las partes más calientes del respiradero. Las aguas termales de sulfato ácido muestran una sucesión algo diferente de microorganismos, dominados por algas tolerantes a los ácidos (como los miembros de Cyanidiophyceae ), hongos y diatomeas. [31] Las aguas termales ricas en hierro contienen comunidades de organismos fotosintéticos que oxidan el hierro reducido ( ferroso ) a hierro oxidado ( férrico ). [40]

Las aguas termales son una fuente confiable de agua que proporciona un ambiente químico rico. Esto incluye especies químicas reducidas que los microorganismos pueden oxidar como fuente de energía.

Importancia para la abiogénesis

Hipótesis de las aguas termales

A diferencia de los " fumadores negros " (respiraderos hidrotermales en el fondo del océano), las fuentes termales similares a los campos hidrotermales terrestres de Kamchatka producen fluidos con un pH y una temperatura adecuados para las primeras células y reacciones bioquímicas. Se encontraron compuestos orgánicos disueltos en aguas termales de Kamchatka. [41] [42] Los sulfuros metálicos y los minerales de sílice en estos entornos actuarían como fotocatalizadores. [42] Experimentan ciclos de humectación y secado que promueven la formación de biopolímeros que luego se encapsulan en vesículas después de la rehidratación. [43] La exposición solar a los rayos UV del medio ambiente promueve la síntesis de biomoléculas monoméricas. [44] La composición iónica y la concentración de las aguas termales (K, B, Zn, P, O, S, C, Mn, N y H) son idénticas al citoplasma de las células modernas y posiblemente a las del LUCA o principios vida celular según análisis filogenómico. [45] [42] Por estas razones, se ha planteado la hipótesis de que las aguas termales pueden ser el lugar de origen de la vida en la Tierra. [38] [29] Las implicaciones evolutivas de la hipótesis implican una vía evolutiva directa hacia las plantas terrestres. Se sugiere que la exposición continua a la luz solar conduce al desarrollo de propiedades fotosintéticas y luego coloniza la tierra y la vida en los respiraderos hidrotermales como una adaptación posterior. [46]

Estudios experimentales recientes en aguas termales apoyan esta hipótesis. Muestran que los ácidos grasos se autoensamblan en estructuras membranosas y encapsulan biomoléculas sintetizadas durante la exposición a la luz ultravioleta y múltiples ciclos húmedo-seco en aguas termales ligeramente alcalinas o ácidas, lo que no sucedería en condiciones de agua salada como lo harían las altas concentraciones de solutos iónicos allí. inhibe la formación de estructuras membranosas. [46] [47] [48] David Deamer y Bruce Damer señalan que estos entornos prebióticos hipotéticos se parecen al "pequeño estanque cálido" imaginado por Charles Darwin . [46] Si la vida no emergiera en respiraderos hidrotermales de aguas profundas, sino en piscinas terrestres, las quinonas extraterrestres transportadas al medio ambiente generarían reacciones redox conducentes a gradientes de protones. Sin un ciclo húmedo-seco continuo para mantener la estabilidad de las proteínas primitivas para el transporte de membrana y otras macromoléculas biológicas, pasarían por hidrólisis en un ambiente acuático. [46] Los científicos descubrieron una geyserita de 3,48 mil millones de años que aparentemente preservaba vida microbiana fosilizada, estromatolitos y biofirmas. [49] Los investigadores proponen que el pirofosfito fue utilizado por la vida celular temprana para el almacenamiento de energía y podría haber sido un precursor del pirofosfato. Los fosfitos, que están presentes en las aguas termales, se habrían unido formando pirofosfito dentro de las aguas termales mediante ciclos húmedo-seco. [50] Al igual que los respiraderos hidrotermales alcalinos, las aguas termales de Hakuba Happo pasan por serpentinización, lo que sugiere que la vida microbiana metanogénica posiblemente se originó en hábitats similares. [51]

Limitaciones

Un problema con la hipótesis de las aguas termales sobre el origen de la vida es que el fosfato tiene baja solubilidad en agua. [52] El pirofosfito podría haber estado presente dentro de las protocélulas; sin embargo, todas las formas de vida modernas utilizan pirofosfato para almacenar energía. Kee sugiere que el pirofosfato podría haberse utilizado después de la aparición de las enzimas. [50] Las condiciones de deshidratación favorecerían la fosforilación de compuestos orgánicos y la condensación de fosfato en polifosfato. [53] Otro problema es que la radiación solar ultravioleta y los impactos frecuentes habrían inhibido la habitabilidad de la vida celular temprana en las aguas termales, [52] aunque las macromoléculas biológicas podrían haber sufrido selección durante la exposición a la radiación solar ultravioleta [46] y habrían sido catalizadas por Minerales de sílice fotocatalíticos y sulfuros metálicos. [42] Los meteoros carbonosos durante el bombardeo intenso tardío no habrían causado cráteres en la Tierra, ya que producirían fragmentos al entrar en la atmósfera. Se estima que los meteoros tenían entre 40 y 80 metros de diámetro, aunque los impactadores más grandes producirían cráteres más grandes. [54] Las vías metabólicas aún no se han demostrado en estos entornos, [52] pero el desarrollo de gradientes de protones podría haber sido generado por reacciones redox acopladas a quinonas meteóricas o crecimiento de protocélulas. [55] [46] [56] Las reacciones metabólicas en la vía de Wood-Ljungdahl y el ciclo de Krebs inverso se han producido en condiciones ácidas y temperaturas termófilas en presencia de metales, lo que es consistente con observaciones de ARN mayoritariamente estable a pH ácido. [57] [58]

Usos humanos

Macacos disfrutando de unas aguas termales al aire libre o " onsen " en Nagano
Baños de invierno en Tsuru-no-yu roten-buro en Nyūtō, Akita
Aguas termales de Sai Ngam en la provincia de Mae Hong Son, Tailandia

Historia

Los seres humanos han disfrutado de las aguas termales durante miles de años. [59] Incluso se sabe que los monos macacos han extendido su área de distribución en el norte de Japón haciendo uso de aguas termales para protegerse del estrés por frío. [60] Los baños termales ( onsen ) se han utilizado en Japón durante al menos dos mil años, tradicionalmente para la limpieza y la relajación, pero cada vez más por su valor terapéutico. [61] En la época homérica de Grecia (ca. 1000 a. C.), los baños eran principalmente para la higiene, pero en la época de Hipócrates (ca. 460 a. C.), a las aguas termales se les atribuía poder curativo. La popularidad de las aguas termales ha fluctuado a lo largo de los siglos desde entonces, pero ahora son populares en todo el mundo. [62]

Usos terapéuticos

Debido tanto al folclore como al supuesto valor médico atribuido a algunas aguas termales, a menudo son destinos turísticos populares y lugares para clínicas de rehabilitación para personas con discapacidades . Sin embargo, la base científica del baño terapéutico en aguas termales es incierta. La terapia con baños calientes para el envenenamiento por plomo era común y, según se informa, tuvo mucho éxito en los siglos XVIII y XIX, y puede haberse debido a la diuresis (aumento de la producción de orina) al sentarse en agua caliente, lo que aumentaba la excreción de plomo; mejor alimentación y aislamiento de fuentes de plomo; y aumento de la ingesta de calcio y hierro. En estudios de terapia de spa se han informado mejoras significativas en pacientes con artritis reumatoide y espondilitis anquilosante , pero estos estudios tienen problemas metodológicos, como la evidente impracticabilidad de los estudios controlados con placebo (en los que un paciente no sabe si está recibiendo la terapia). ). Como resultado, la eficacia terapéutica de la terapia de aguas termales sigue siendo incierta. [62]

Precauciones

Las aguas termales en zonas volcánicas suelen estar en el punto de ebullición o cerca de él . Personas han resultado gravemente escaldadas e incluso muertas al entrar accidental o intencionalmente en estos manantiales. [63] [64] [65]

La microbiota de algunas aguas termales es infecciosa para los humanos:

Etiqueta

Las costumbres y prácticas observadas difieren según la fuente termal. Es una práctica común que los bañistas se laven antes de entrar al agua para no contaminar el agua (con/sin jabón). [73] En muchos países, como Japón, es obligatorio entrar a las aguas termales sin ropa, incluido el traje de baño. A menudo hay diferentes instalaciones o horarios para hombres y mujeres, pero también existen onsen mixtos. [74] En algunos países, si se trata de una fuente termal pública, se requiere traje de baño. [75] [76]

Ejemplos

Distribución de manantiales geotérmicos en EE. UU.

Existen fuentes termales en muchos lugares y en todos los continentes del mundo. Los países que son famosos por sus aguas termales incluyen China , Costa Rica , Hungría , Islandia , Irán , Japón , Nueva Zelanda , Brasil , Perú , Serbia , Taiwán , Turquía y los Estados Unidos , pero hay aguas termales en muchos otros lugares como Bueno:

Ver también

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con las aguas termales .
Wikivoyage tiene una guía de viaje para Aguas termales .

Referencias

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Otras lecturas

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