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Fuente termal

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

Una fuente termal , fuente hidrotermal o fuente geotérmica es una fuente que se produce por la aparición de agua subterránea calentada geotérmicamente en la superficie de la Tierra. El agua subterránea se calienta ya sea por cuerpos de magma (roca fundida) poco profundos o por circulación a través de fallas hacia rocas calientes en las profundidades de la corteza terrestre .

Las aguas termales suelen 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 , hasta manantiales de bicarbonato saturados con dióxido de carbono y minerales de carbonato . Algunos manantiales también contienen abundante hierro disuelto. Los minerales que salen a la superficie en las aguas termales a menudo alimentan a las comunidades de extremófilos , microorganismos adaptados a condiciones extremas, y es posible que la vida en la Tierra tuviera su origen en las aguas termales. [1] [2]

Los seres humanos han utilizado las aguas termales para bañarse, relajarse o recibir terapia médica durante miles de años. Sin embargo, algunas son lo suficientemente calientes como para que la inmersión pueda resultar 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 fuente termal definida como

Aguas termales en Rio Quente, Brasil

El término relacionado " manantial cálido " se define como un manantial con una temperatura del agua inferior a la de un manantial caliente según muchas fuentes, aunque Pentecost et al. (2003) sugieren que la frase "manantial cálido" 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 a una temperatura entre 20 y 50 °C (68 y 122 °F). [ cita requerida ]

Fuentes de calor

El agua que sale de una fuente termal se calienta geotérmicamente , es decir, con el calor producido por el manto terrestre . Esto ocurre de dos maneras. En áreas de alta actividad volcánica, el magma (roca fundida) puede estar presente a poca profundidad en la corteza terrestre . El agua subterránea se calienta 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 roca fragmentados proporcionan caminos fáciles para que el agua circule a mayores profundidades. [18]

Gran parte del calor se crea por la desintegración de elementos radiactivos naturales. Se estima que entre el 45 y el 90 por ciento del calor que escapa de la Tierra se origina por 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 procedente de la desintegración del 238 U y el 232 Th son ahora los principales contribuyentes al balance de calor interno de la Tierra .

Un manantial termal que periódicamente expulsa agua y vapor se llama géiser . En zonas volcánicas activas como el Parque Nacional de Yellowstone , puede haber magma a poca profundidad. Si un manantial termal está conectado a una gran cisterna natural cerca de un cuerpo de magma, el magma puede sobrecalentar el agua en 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 en la cisterna se convierta en vapor, lo que obliga a que salga más agua del manantial termal. Esto conduce a una condición de descontrol en la que una cantidad considerable de agua y vapor son expulsados ​​​​a la fuerza del manantial 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 de una cisterna natural como de 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 tan rápido como puede acumularse y solo 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 olla de barro . [24] [26]

Un ejemplo de un manantial cálido no volcánico es Warm Springs, Georgia (frecuentado por sus efectos terapéuticos por el presidente estadounidense parapléjico 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 (cuarcita Hollis) hasta 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 caliente puede contener más sólidos disueltos que el agua fría, el agua que sale de las fuentes termales a menudo tiene un contenido mineral muy alto , que contiene de todo, desde calcio hasta litio e incluso radio . La química general de las fuentes termales varía desde cloruro alcalino hasta sulfato ácido , bicarbonato y rico en hierro , cada uno de los cuales define un miembro final de una gama de posibles químicas de fuentes termales. [28] [29]

Las fuentes 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. Estas fuentes tienen un pH casi neutro pero están saturadas 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 geiserita , una forma de ópalo (ópalo-A: SiO 2 ·nH 2 O ). [30] Este proceso es lo suficientemente lento como para que la geiserita no se deposite toda 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 fuentes 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 transformarla en minerales arcillosos , minerales de óxido y un residuo de sílice. [29]

Las fuentes 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 de carbonato se precipitan como travertino , por lo 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 grumos de hierro oxidado a partir del hierro presente en los fluidos hidrotermales que alimentan el manantial. [34] [29]

Algunas fuentes termales producen fluidos que son intermedios en química entre estos extremos. Por ejemplo, las fuentes termales mixtas de ácido-sulfato-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 geiserita, pero en cantidades más pequeñas que las fuentes de cloruro alcalino. [31]

Tasas de flujo

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

Las fuentes termales tienen un caudal que va desde los más diminutos "filtrantes" hasta verdaderos ríos de agua caliente. A veces hay suficiente presión para que el agua salga disparada hacia arriba formando un géiser o fuente .

Aguas termales de alto caudal

Existen muchas afirmaciones en la literatura sobre los caudales de las fuentes termales. Hay muchas más fuentes no termales de alto caudal que fuentes geotérmicas. Entre las fuentes con alto caudal se incluyen:

Ecosistemas

Esteras de algas que crecen en la piscina termal Map of Africa , Orakei Korako , Nueva Zelanda

Las fuentes termales suelen albergar comunidades de microorganismos adaptados a la vida en aguas calientes y ricas en minerales. Entre ellos se encuentran los termófilos , que son un tipo de extremófilos que prosperan a altas temperaturas, entre 45 y 80 °C (113 y 176 °F). [37] Más allá 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, que en algunos aspectos se asemeja a las etapas sucesivas en la evolución de la vida primitiva. [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 otras Aquificales , que oxidan sulfuro e hidrógeno para obtener energía para sus procesos vitales. Más allá del respiradero, donde las temperaturas del agua han caído por debajo de los 60 °C (140 °F), la superficie está cubierta de tapetes microbianos de 1 centímetro (0,39 pulgadas) de espesor que están dominados 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. Más allá del respiradero, donde las temperaturas caen por debajo de los 45 °C (113 °F), las condiciones son favorables para una comunidad compleja de microorganismos que incluye Spirulina , Calothrix , diatomeas y otros eucariotas unicelulares , e insectos y protozoos que pastan. A medida que las temperaturas caen cerca de las de los alrededores, aparecen plantas superiores. [38]

Las fuentes 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 fuentes termales de sulfato ácido muestran una sucesión algo diferente de microorganismos, dominada por algas tolerantes a los ácidos (como los miembros de Cyanidiophyceae ), hongos y diatomeas. [31] Las fuentes termales ricas en hierro contienen comunidades de organismos fotosintéticos que oxidan el hierro reducido ( ferroso ) a hierro oxidado ( férrico ). [40]

Las fuentes termales son una fuente confiable de agua que proporciona un entorno químico rico, que incluye una cantidad reducida de especies químicas que los microorganismos pueden oxidar como fuente de energía.

Importancia para la abiogénesis

Hipótesis de las fuentes termales

A diferencia de los " fumadores negros " (respiraderos hidrotermales en el fondo del océano), las fuentes termales similares a los campos hidrotermales terrestres en Kamchatka producen fluidos que tienen un pH y una temperatura adecuados para las células tempranas y las reacciones bioquímicas. Se encontraron compuestos orgánicos disueltos en las fuentes 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 fuentes termales (K, B, Zn, P, O, S, C, Mn, N y H) son idénticas al citoplasma de las células modernas y posiblemente a las de la LUCA o la vida celular temprana según el análisis filogenómico. [45] [42] Por estas razones, se ha planteado la hipótesis de que las fuentes 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, posteriormente, a la colonización de la tierra y la vida en fuentes hidrotermales es una adaptación posterior. [46]

Estudios experimentales recientes en fuentes 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 fuentes termales ligeramente alcalinas o ácidas, lo que no sucedería en condiciones de agua salada ya que las altas concentraciones de solutos iónicos allí inhibirían la formación de estructuras membranosas. [46] [47] [48] David Deamer y Bruce Damer señalan que estos entornos prebióticos hipotéticos se asemejan al "pequeño estanque cálido" imaginado por Charles Darwin . [46] Si la vida no emergiera en los respiraderos hidrotermales de las profundidades marinas, sino en charcas terrestres, las quinonas extraterrestres transportadas al medio ambiente generarían reacciones redox que conducen 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 entorno acuático. [46] Los científicos descubrieron una geiserita de 3.480 millones de años que aparentemente conservaba vida microbiana fosilizada, estromatolitos y biofirmas. [49] Los investigadores proponen que el pirofosfito fue utilizado por la vida celular primitiva para almacenar energía y podría haber sido un precursor del pirofosfato. Los fosfitos, que están presentes en las fuentes termales, se habrían unido para formar pirofosfito dentro de las fuentes termales a través del ciclo húmedo-seco. [50] Al igual que los respiraderos hidrotermales alcalinos, la fuente termal de Hakuba Happo pasa 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 fuentes termales como origen de la vida es que el fosfato tiene una 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 haber sido utilizado después de la aparición de las enzimas. [50] Las condiciones deshidratadas favorecerían la fosforilación de compuestos orgánicos y la condensación de fosfato a polifosfato. [53] Otro problema es que la radiación ultravioleta solar y los impactos frecuentes habrían inhibido la habitabilidad de la vida celular temprana en las fuentes termales, [52] aunque las macromoléculas biológicas podrían haber sufrido selección durante la exposición a la radiación ultravioleta solar [46] y habrían sido catalizadas por minerales de sílice fotocatalíticos y sulfuros metálicos. [42] Los meteoros carbonosos durante el Bombardeo Pesado Tardío no habrían causado cráteres en la Tierra, ya que producirían fragmentos al entrar en la atmósfera. Se estima que los meteoritos tenían entre 40 y 80 metros de diámetro, sin embargo, los impactos más grandes producirían cráteres más grandes. [54] Aún no se han demostrado vías metabólicas 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] Se han producido reacciones metabólicas en la vía Wood-Ljungdahl y el ciclo de Krebs inverso en condiciones ácidas y temperaturas termófilas en presencia de metales, lo que es consistente con las observaciones de ARN mayormente estable a pH ácido. [57] [58]

Usos humanos

Macacos disfrutando de una fuente termal al aire libre u " 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 macacos han extendido su área de distribución norteña hasta Japón haciendo uso de aguas termales para protegerse del estrés por frío. [60] Los baños de aguas 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 era homérica de Grecia (aproximadamente 1000 a. C.), los baños eran principalmente para la higiene, pero en la época de Hipócrates (aproximadamente 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 para el baño terapéutico en aguas termales es incierta. La terapia de baño caliente para el envenenamiento por plomo era común y, según se informa, muy exitosa en los siglos XVIII y XIX, y puede haberse debido a la diuresis (aumento de la producción de orina) al sentarse en agua caliente, que aumentó la excreción de plomo; mejor alimentación y aislamiento de fuentes de plomo; y mayor ingesta de calcio y hierro. Se han informado mejoras significativas en pacientes con artritis reumatoide y espondilitis anquilosante en estudios de terapia de spa, pero estos estudios tienen problemas metodológicos, como la obvia impracticabilidad de los estudios controlados con placebo (en los que un paciente no sabe si está recibiendo la terapia). Como resultado, la efectividad terapéutica de la terapia de aguas termales sigue siendo incierta. [62]

Precauciones

Las fuentes termales en zonas volcánicas suelen estar en el punto de ebullición o cerca de él. Hay personas que han resultado gravemente escaldadas e incluso han muerto al entrar en ellas accidental o intencionadamente. [63] [64] [65]

Algunas microbiotas de las fuentes termales son infecciosas 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 contaminarla (con o sin jabón). [73] En muchos países, como Japón, se exige entrar a las aguas termales sin ropa, incluido el traje de baño. A menudo hay instalaciones u horarios diferentes para hombres y mujeres, pero existen onsen mixtos. [74] En algunos países, si se trata de una fuente termal pública, se exige el uso del traje de baño. [75] [76]

Ejemplos

Distribución de fuentes geotermales en EE.UU.

Hay aguas termales en muchos lugares y en todos los continentes del mundo. Entre los países famosos por sus aguas termales se encuentran China , Costa Rica , Hungría , Islandia , Irán , Japón , Nueva Zelanda , Brasil , Perú , Serbia , Corea del Sur , Taiwán , Turquía y Estados Unidos , pero también hay aguas termales en muchos otros lugares:

Véase también

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Referencias

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Lectura adicional

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