Un entorno submarino es un entorno de agua líquida sumergida en un elemento natural o artificial (denominado masa de agua ), como un océano , un mar , un lago , un estanque , un embalse , un río , un canal o un acuífero . Algunas características del entorno submarino son universales, pero muchas dependen de la situación local.
El agua líquida ha estado presente en la Tierra durante la mayor parte de la historia del planeta . Se cree que el entorno submarino es el lugar del origen de la vida en la Tierra y sigue siendo la región ecológica más crítica para el sustento de la vida y el hábitat natural de la mayoría de los organismos vivos. Varias ramas de la ciencia se dedican al estudio de este entorno o de partes o aspectos específicos del mismo.
En las partes más accesibles del entorno submarino se llevan a cabo diversas actividades humanas, como la investigación, el buceo submarino por motivos de trabajo o de ocio y la guerra submarina con submarinos. Este entorno es hostil para los humanos en muchos sentidos y, a menudo, inaccesible, por lo que se ha explorado relativamente poco.
Tres cuartas partes del planeta Tierra están cubiertas de agua. La mayor parte de la superficie sólida del planeta es llanura abisal , a profundidades de entre 4.000 y 5.500 metros (13.100 y 18.000 pies) por debajo de la superficie de los océanos. La ubicación de la superficie sólida en el planeta más cercana al centro del geoide es el abismo Challenger , ubicado en la fosa de las Marianas a una profundidad de 10.924 metros (35.840 pies). Hay una parte más pequeña de la superficie cubierta por cuerpos de agua dulce y un gran volumen de agua subterránea en acuíferos. El entorno submarino es hostil para los humanos en muchos sentidos y, por lo tanto, poco explorado. Puede cartografiarse mediante sonar o explorarse más directamente a través de sumergibles tripulados, operados a distancia o autónomos . Los fondos oceánicos se han estudiado mediante sonar al menos con una resolución aproximada; Se han cartografiado en detalle áreas particularmente estratégicas para ayudar a navegar y detectar submarinos, aunque los mapas resultantes pueden estar clasificados. [ cita requerida ]
Un océano es una masa de agua que compone gran parte de la hidrosfera de un planeta . [1] En la Tierra , un océano es una de las principales divisiones convencionales del océano mundial . Estas son, en orden descendente por área, los océanos Pacífico , Atlántico , Índico , Austral (Antártico) y Ártico . [2] [3] La palabra "océano" a menudo se usa indistintamente con "mar" en inglés estadounidense . Estrictamente hablando, un mar es una masa de agua (generalmente una división del océano mundial) parcial o totalmente encerrada por tierra, [4] aunque " el mar " también se refiere a los océanos.
El agua salada cubre aproximadamente 361.000.000 km2 ( 139.000.000 millas cuadradas) y se divide habitualmente en varios océanos principales y mares más pequeños, con el océano cubriendo aproximadamente el 71% de la superficie de la Tierra y el 90% de la biosfera de la Tierra . [5] El océano contiene el 97% del agua de la Tierra, y los oceanógrafos han declarado que menos del 100% del océano mundial ha sido explorado. [5] El volumen total es de aproximadamente 1.35 mil millones de kilómetros cúbicos (320 millones de millas cúbicas) con una profundidad promedio de casi 3.700 metros (12.100 pies). [6] [7] [8]
Un lago es un área llena de agua, localizada en una cuenca , que está rodeada de tierra, aparte de cualquier río u otra salida que sirva para alimentar o drenar el lago. [9] Los lagos se encuentran en la tierra y no son parte del océano , y por lo tanto son distintos de las lagunas , y también son más grandes y profundos que los estanques , aunque no existen definiciones oficiales o científicas. [10] Los lagos pueden contrastarse con ríos o arroyos , que generalmente fluyen. La mayoría de los lagos son alimentados y drenados por ríos y arroyos. Los lagos naturales generalmente se encuentran en áreas montañosas, zonas de rift y áreas con glaciación en curso . Otros lagos se encuentran en cuencas endorreicas o a lo largo de los cursos de ríos maduros. En algunas partes del mundo, hay muchos lagos debido a los patrones de drenaje caóticos que quedaron de la última edad de hielo . Todos los lagos son temporales en escalas de tiempo geológico, ya que se llenarán lentamente con sedimentos o se derramarán de la cuenca que los contiene. Muchos lagos son artificiales y se construyen para uso industrial o agrícola, para la generación de energía hidroeléctrica o el suministro de agua para uso doméstico, o para fines estéticos, recreativos u otras actividades.
Un estanque es un área llena de agua, ya sea natural o artificial, que es más pequeña que un lago . [11] Puede surgir naturalmente en llanuras aluviales como parte de un sistema fluvial, o ser una depresión algo aislada (como una marisma , un charco primaveral o una marisma de pradera ). Puede contener agua poco profunda con pantanos y plantas y animales acuáticos. [12] Los estanques son frecuentemente artificiales o ampliados más allá de su profundidad y límites originales. Entre sus muchos usos, los estanques proporcionan agua para la agricultura y el ganado, ayudan en la restauración del hábitat, sirven como criaderos de peces, son componentes de la arquitectura paisajística, pueden almacenar energía térmica como estanques solares y tratar aguas residuales como estanques de tratamiento . Los estanques pueden ser de agua dulce, salada o salobre .
Un río es un curso de agua natural , generalmente de agua dulce , que fluye bajo la influencia de la gravedad en el océano , lago , otro río o en el suelo. Los ríos pequeños pueden denominarse usando nombres como arroyo , riachuelo, arroyo, riachuelo y riachuelo . No existen definiciones oficiales para el término genérico río tal como se aplica a las características geográficas , [13] Los ríos son parte del ciclo hidrológico ; el agua generalmente se acumula en un río a partir de la precipitación en una cuenca de drenaje de la escorrentía superficial y otras fuentes como la recarga de agua subterránea , los manantiales y la liberación de agua almacenada en el hielo natural y la nieve. La potamología es el estudio científico de los ríos, mientras que la limnología es el estudio de las aguas continentales en general.
Un acuífero es una capa subterránea de roca permeable , fracturas de roca o materiales no consolidados ( grava , arena o limo ) que contiene agua . El estudio del flujo de agua en los acuíferos y la caracterización de los mismos se denomina hidrogeología . Si una capa impermeable recubre el acuífero, la presión podría hacer que se convierta en un acuífero confinado.
Los acuíferos pueden clasificarse como porosos o kársticos , donde un acuífero poroso contiene el agua en los espacios entre los granos de un sedimento suelto o roca (normalmente arena o arenisca ), mientras que un acuífero kárstico contiene agua principalmente en huecos relativamente grandes en rocas relativamente impermeables, como la piedra caliza o la dolomita . [14]
Las cuevas llenas de agua se pueden clasificar como activas y relictas: en las cuevas activas fluye agua a través de ellas; en las cuevas relictas, no, aunque el agua puede quedar retenida en ellas. Los tipos de cuevas activas incluyen cuevas de entrada ("en las que se hunde un arroyo"), cuevas de salida ("de las que emerge un arroyo") y cuevas de paso ("atravesadas por un arroyo"). [15]
Un embalse es, por lo general, un lago, estanque o embalse natural o artificial ampliado creado mediante una presa o esclusa para almacenar agua. Los embalses se pueden crear de varias maneras, entre ellas, controlando un curso de agua que drena un cuerpo de agua existente, interrumpiendo un curso de agua para formar una ensenada en su interior, mediante excavaciones o construyendo muros de contención o diques . Los canales son vías fluviales artificiales que pueden tener presas y esclusas que crean embalses para el flujo de corrientes de baja velocidad.
El agua es una sustancia química transparente , insípida , inodora y casi incolora . Su fórmula química es H2O , lo que significa que cada una de sus moléculas contiene un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno , conectados por enlaces covalentes . Agua es el nombre del estado líquido del H2O a temperatura y presión ambiente estándar . El agua en la superficie de la Tierra se mueve continuamente a través del ciclo del agua de evaporación , transpiración ( evapotranspiración ), condensación , precipitación y escorrentía , llegando generalmente al mar. El agua rara vez existe en forma pura, casi siempre contiene sustancias disueltas y, por lo general, otra materia en suspensión.
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La densidad del agua es de aproximadamente 1 gramo por centímetro cúbico (62 lb/cu ft). La densidad varía con la temperatura, pero no de manera lineal: a medida que la temperatura aumenta, la densidad aumenta hasta un pico a 3,98 °C (39,16 °F) y luego disminuye; esto es inusual. [16] El hielo regular, hexagonal , también es menos denso que el agua líquida: al congelarse, la densidad del agua disminuye aproximadamente un 9%. [17] Estos efectos se deben a la reducción del movimiento térmico con el enfriamiento, que permite que las moléculas de agua formen más enlaces de hidrógeno que evitan que las moléculas se acerquen entre sí. [16] Mientras que por debajo de los 4 °C la ruptura de los enlaces de hidrógeno debido al calentamiento permite que las moléculas de agua se agrupen más a pesar del aumento del movimiento térmico (que tiende a expandir un líquido), por encima de los 4 °C el agua se expande a medida que aumenta la temperatura. [16] El agua cerca del punto de ebullición es aproximadamente un 4% menos densa que el agua a 4 °C (39 °F). [17] [a]
La inusual curva de densidad y la menor densidad del hielo que la del agua son vitales para la vida: si el agua fuera más densa en el punto de congelación, entonces en invierno el agua muy fría de la superficie de los lagos y otros cuerpos de agua se hundiría, el lago podría congelarse desde abajo hacia arriba y toda la vida en ellos moriría. [17] Además, dado que el agua es un buen aislante térmico (debido a su capacidad calorífica), algunos lagos congelados podrían no descongelarse completamente en verano. [17] La capa de hielo que flota en la parte superior aísla el agua de abajo. [18] El agua a aproximadamente 4 °C (39 °F) también se hunde hasta el fondo, manteniendo así constante la temperatura del agua en el fondo (ver diagrama). [17]
La densidad del agua del mar depende del contenido de sal disuelta y de la temperatura. El hielo sigue flotando en los océanos, de lo contrario se congelaría de abajo hacia arriba. El contenido de sal reduce el punto de congelación en aproximadamente 1,9 °C y reduce la temperatura del máximo de densidad del agua hasta el punto de congelación del agua dulce a 0 °C. [19] Por eso, en el agua del océano, la convección descendente del agua más fría no se ve bloqueada por una expansión del agua a medida que se enfría cerca del punto de congelación. El agua fría de los océanos cerca del punto de congelación continúa hundiéndose. Por lo tanto, las criaturas que viven en el fondo de océanos fríos como el océano Ártico generalmente viven en agua 4 °C más fría que en el fondo de lagos y ríos de agua dulce congelados .
A medida que la superficie del agua del mar comienza a congelarse (a -1,9 °C para una salinidad del 3,5 %), el hielo que se forma es esencialmente libre de sal, con aproximadamente la misma densidad que el hielo de agua dulce. [19] Este hielo flota en la superficie, y la sal que se "congela" se suma a la salinidad y la densidad del agua del mar justo debajo de él, en un proceso conocido como rechazo de salmuera . Esta agua salada más densa se hunde por convección. Esto produce esencialmente hielo de agua dulce a -1,9 °C en la superficie. [19] A gran escala, el proceso de rechazo de salmuera y hundimiento de agua salada fría da como resultado la formación de corrientes oceánicas para transportar dicha agua lejos de los polos, lo que conduce a un sistema global de corrientes llamado circulación termohalina .
La densidad del agua provoca presiones ambientales que aumentan drásticamente con la profundidad. La presión atmosférica en la superficie es de 14,7 libras por pulgada cuadrada o alrededor de 100 kPa. Una presión hidrostática comparable se produce a una profundidad de solo 10 metros (33 pies) (9,8 metros (32 pies) en el caso del agua de mar). Por lo tanto, a unos 10 m por debajo de la superficie, el agua ejerce el doble de presión (2 atmósferas o 200 kPa) que el aire a nivel de la superficie.
Cualquier objeto sumergido en agua está sujeto a una fuerza de flotación que contrarresta la fuerza de la gravedad , lo que hace que parezca que el objeto es menos pesado. Si la densidad total del objeto supera la densidad del agua, el objeto se hunde. Si la densidad total es menor que la densidad del agua, el objeto se eleva hasta flotar en la superficie.
A medida que aumenta la profundidad bajo el agua, la luz solar se absorbe y la cantidad de luz visible disminuye. Debido a que la absorción es mayor para las longitudes de onda largas (extremo rojo del espectro visible ) que para las longitudes de onda cortas (extremo azul del espectro visible), el espectro de color se altera rápidamente con el aumento de la profundidad. Los objetos blancos en la superficie aparecen azulados bajo el agua, y los objetos rojos aparecen oscuros, incluso negros. Aunque la penetración de la luz será menor si el agua está turbia , en el agua muy clara del océano abierto menos del 25% de la luz de la superficie alcanza una profundidad de 10 m (33 pies). A 100 m (330 pies) la luz presente del sol es normalmente alrededor del 0,5% de la que hay en la superficie. [ cita requerida ]
La profundidad eufótica es la profundidad a la que la intensidad de la luz cae al 1% del valor en la superficie. Esta profundidad depende de la claridad del agua, siendo solo unos pocos metros bajo el agua en un estuario turbio, pero puede alcanzar hasta 200 metros en mar abierto. En la profundidad eufótica, las plantas (como el fitoplancton ) no obtienen ganancia neta de energía de la fotosíntesis y, por lo tanto, no pueden crecer.
Existen tres capas de temperatura oceánica: la capa superficial , la termoclina y el océano profundo . La temperatura media de la capa superficial es de unos 17 °C. Alrededor del 90% del agua del océano se encuentra por debajo de la termoclina en el océano profundo, donde la mayor parte del agua está por debajo de los 4 °C. [20]
Existen anomalías de temperatura en sitios volcánicos activos y respiraderos hidrotermales , donde las temperaturas de las aguas profundas pueden superar significativamente los 100 °C.
El agua conduce el calor unas 25 veces más eficazmente que el aire. La hipotermia , una afección potencialmente mortal, se produce cuando la temperatura central del cuerpo humano desciende por debajo de los 35 °C. El principal objetivo de los trajes de buceo y de protección contra el frío cuando se utilizan en aguas con temperaturas inferiores a los 25 °C es aislar el calor del cuerpo del agua .
El sonido se transmite aproximadamente 4,3 veces más rápido en el agua (1.484 m/s en agua dulce) que en el aire (343 m/s). El cerebro humano puede determinar la dirección del sonido en el aire detectando pequeñas diferencias en el tiempo que tardan las ondas sonoras en llegar a cada uno de los dos oídos. Por estas razones, a los buceadores les resulta difícil determinar la dirección del sonido bajo el agua. Algunos animales se han adaptado a esta diferencia y muchos utilizan el sonido para navegar bajo el agua.
Un ecosistema acuático es un ecosistema en un cuerpo de agua . En los ecosistemas acuáticos viven comunidades de organismos que dependen unos de otros y de su entorno. Los dos tipos principales de ecosistemas acuáticos son los ecosistemas marinos y los ecosistemas de agua dulce . [21]
Los ecosistemas marinos son los más grandes de los ecosistemas acuáticos de la Tierra y se distinguen por aguas que tienen un alto contenido de sal. Las aguas marinas cubren más del 70% de la superficie de la Tierra y representan más del 97% del suministro de agua de la Tierra [22] [23] y el 90% del espacio habitable en la Tierra. [24] Los ecosistemas marinos incluyen sistemas cercanos a la costa, como las marismas , las marismas , las praderas marinas , los manglares , los sistemas intermareales rocosos y los arrecifes de coral . También se extienden desde la costa para incluir sistemas marinos, como la superficie del océano , las aguas oceánicas pelágicas , las profundidades marinas , los respiraderos hidrotermales oceánicos y el fondo marino . Los ecosistemas marinos se caracterizan por la comunidad biológica de organismos con los que están asociados y su entorno físico . Como el océano mundial es el componente principal de la hidrosfera de la Tierra, es parte integral de la vida , forma parte del ciclo del carbono e influye en los patrones climáticos y meteorológicos . El océano mundial es el hábitat de 230.000 especies conocidas , pero debido a que gran parte del mismo está inexplorado, el número de especies que existen en el océano es mucho mayor, posiblemente más de dos millones. [25]
Los ecosistemas de agua dulce incluyen lagos y estanques , ríos , arroyos , manantiales , acuíferos , pantanos y humedales . Tienen un contenido de sal menor que los ecosistemas marinos. Los hábitats de agua dulce se pueden clasificar por diferentes factores, incluidos la temperatura, la penetración de la luz, los nutrientes y la vegetación. Los ecosistemas de agua dulce se pueden dividir en ecosistemas lénticos (agua estancada) y ecosistemas lóticos (agua corriente). [26]
Los ecosistemas acuáticos se caracterizan por la limitación de la iluminación ambiental debido a la absorción por el agua misma y por la materia disuelta y suspendida en la columna de agua, y por el apoyo proporcionado por la flotabilidad. Los nutrientes utilizables por las plantas están disueltos en el agua, lo que los hace fácilmente disponibles. Sin embargo, la interacción de la absorción de luz por el agua, la materia y los propios organismos vivos conduce a condiciones de luz y espectro lumínico muy diferentes según el ecosistema respectivo y su profundidad de agua. Esto afecta a la fotosíntesis y a la ecología de las plantas y el fitoplancton . [27] Fuera de la zona eufótica, la fotosíntesis no puede ocurrir y la vida debe utilizar otras fuentes de energía distintas de la luz solar.
Aunque varias actividades humanas se llevan a cabo bajo el agua (como la investigación, el buceo submarino por trabajo o recreación y la guerra submarina con submarinos ), el entorno submarino es hostil a los humanos de muchas maneras y, por lo tanto, poco explorado.
Un obstáculo inmediato a la actividad humana bajo el agua es que los pulmones humanos no pueden funcionar de forma natural en este entorno. A diferencia de las branquias de los peces , los pulmones humanos están adaptados al intercambio de gases a presión atmosférica . Cualquier penetración en el medio submarino durante más de unos minutos requiere ayudas artificiales para mantener la vida.
Para los tejidos sólidos y líquidos como los huesos, los músculos y la sangre, la alta presión ambiental no es un gran problema; pero sí lo es para cualquier espacio lleno de gas como la boca , los oídos , los senos paranasales y los pulmones. Esto se debe a que el gas en esos espacios es mucho más compresible que los sólidos y líquidos, y se reduce en volumen mucho más cuando está bajo presión y, por lo tanto, no proporciona a esos espacios soporte contra la mayor presión exterior. Incluso a una profundidad de 8 pies (2,4 m) bajo el agua, la incapacidad de igualar la presión del aire en el oído medio con la presión del agua exterior puede causar dolor, y la membrana timpánica (tímpano) puede romperse a profundidades inferiores a 10 pies (3 m). El peligro de daño por presión es mayor en aguas poco profundas porque la relación de cambio de presión es mayor cerca de la superficie del agua. La presión elevada también afecta la solución de los gases respiratorios en los tejidos con el tiempo y puede provocar una variedad de efectos adversos, como narcosis por gas inerte y toxicidad por oxígeno . La descompresión debe ser controlada para evitar la formación de burbujas en los tejidos y los consiguientes síntomas de la enfermedad por descompresión .
Con algunas excepciones, el ambiente submarino tiende a enfriar el cuerpo humano desprotegido. Esta pérdida de calor suele acabar provocando hipotermia.
Existen varias clases de peligros para los humanos inherentes al entorno submarino.
En el buceo a presión ambiental, el buceador está expuesto directamente a la presión del agua circundante. El buceador a presión ambiental puede bucear en apnea, o usar un aparato de respiración para buceo con escafandra autónoma o buceo con suministro desde la superficie , y la técnica de buceo de saturación reduce el riesgo de enfermedad por descompresión (EDC) después de inmersiones profundas de larga duración. La inmersión en agua y la exposición al agua fría y a alta presión tienen efectos fisiológicos en el buceador que limitan las profundidades y la duración posibles en el buceo a presión ambiental. La resistencia a la apnea es una limitación grave, y respirar a alta presión ambiental agrega más complicaciones, tanto directa como indirectamente. Se han desarrollado soluciones tecnológicas que pueden extender en gran medida la profundidad y la duración de las inmersiones humanas a presión ambiental, y permiten realizar un trabajo útil bajo el agua. [28]
Un buzo puede aislarse de la presión ambiental utilizando un traje de buceo atmosférico (ADS), que es un pequeño sumergible antropomórfico articulado para una sola persona que se asemeja a una armadura , con elaboradas juntas resistentes a la presión para permitir la articulación mientras se mantiene una presión interna de una atmósfera. Un ADS se puede utilizar para inmersiones relativamente profundas de hasta 2300 pies (700 m) durante muchas horas, y elimina la mayoría de los peligros fisiológicos significativos asociados con el buceo profundo; el ocupante no necesita descomprimirse, no hay necesidad de mezclas especiales de gases, ni hay peligro de enfermedad por descompresión o narcosis por nitrógeno , y el buzo está efectivamente aislado de la mayoría de los organismos acuáticos. [29] Los buzos ni siquiera necesitan ser nadadores expertos, pero la movilidad y la destreza se degradan significativamente.
Un sumergible es una embarcación pequeña diseñada para operar bajo el agua. El término sumergible se utiliza a menudo para diferenciarlo de otras embarcaciones submarinas conocidas como submarinos , en el sentido de que un submarino es una embarcación completamente autónoma, capaz de renovar su propia energía y respirar aire, mientras que un sumergible suele estar respaldado por un buque de superficie, una plataforma, un equipo de tierra o, a veces, un submarino más grande. Hay muchos tipos de sumergibles, incluidos los tripulados y los no tripulados, también conocidos como vehículos operados a distancia o ROV. [30]
Los vehículos submarinos operados a distancia y los vehículos submarinos autónomos forman parte de un grupo más amplio de sistemas submarinos conocidos como vehículos submarinos no tripulados . Los ROV no están ocupados, suelen ser muy maniobrables y los opera una tripulación a bordo de un buque o plataforma flotante o en tierra firme. Están conectados a un buque anfitrión mediante un amarre de flotabilidad neutra o se utiliza un cable umbilical que transporta carga junto con un sistema de gestión de amarres (TMS). El cable umbilical contiene un grupo de conductores eléctricos y fibra óptica que transportan energía eléctrica, vídeo y señales de datos entre el operador y el TMS. Cuando se utiliza, el TMS transmite las señales y la energía para el ROV a través del cable de amarre. Una vez en el ROV, la energía eléctrica se distribuye entre los componentes del ROV. En aplicaciones de alta potencia, la mayor parte de la energía eléctrica impulsa un motor eléctrico de alta potencia que impulsa una bomba hidráulica para la propulsión y para alimentar el equipo. La mayoría de los ROV están equipados con al menos una cámara de vídeo y luces. Se suele añadir equipo adicional para ampliar las capacidades del vehículo. Los vehículos submarinos autónomos (AUV) son robots que viajan bajo el agua sin necesidad de intervención de un operador. Los planeadores submarinos son una subclase de AUV. [31]
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