El agua es fundamental para la vida tal y como la conocemos, hasta el punto de que sin ella, no es posible la vida. Pero no vale solo con tener agua, necesitamos agua líquida y eso es algo más difícil de conseguir de lo que parece. Como ya explicamos hace un tiempo, aunque no lleguemos a 100ºC en la Tierra, el agua se evapora constantemente. Si no se produjera la condensación en las nubes, si no hubera lluvia, no tendríamos agua líquida. El problema es que el agua no es capaz de condensar aunque esté muy por debajo de 100ºC.
¿Entonces por qué llueve? La respuesta es más complicada que “porque la temperatura baja y el agua condensa”, ya que el agua no es capaz de condensar por sí sola. Pero antes de buscar una respuesta, debemos entender bien la pregunta y por qué el agua no forma gotas de lluvia espontáneamente. Como ya hemos dicho no es un tema sencillo, por eso vamos a verlo de dos formas diferentes, pero equivalentes: Desde el punto de vista de la energía y desde el de los enlaces.
El agua no es capaz de condensar: Entendiendo los enlaces
Los líquidos, a diferencia de los gases, se mantienen unidos debido a enlaces entre moléculas. En el agua estos enlace se llaman enlaces de van der Waals y son los respondables de que el agua caliente se enfríe más rápido que el agua fría. Estos enlaces hacen que las gotas de agua se mantengan siempre juntas y son los responables de la tensión superficial que permite llenar un vaso un poco más de su altura; hace posible que los mosquitos caminen sobre el agua, que se formen pompas de jabón con las que podemos jugar o que una gota de agua no se divida espontáneamente.
Cuando dos moléculas de vapor de agua se juntan forman diminutas gotas de lluvia de pocos nanómetros de tamaño. Entonces se produce una “batalla” entre la agitación de la moléculas (debido al calor) que tiende a romper la gota y las fuerzas de van der Waals que tienden a mantener la gota unida. Cuanto más pequeñas son las gotas de agua, menos enlaces tienen las moléculas de la superficie y más fácil es que gane la agitación térmica, deshaciéndose la gota.
En concreto, un análisis detallado revela que la cantidad de moléculas necesarias para que la gota capture más moléculas de las que se escapan por las débiles uniones en la superficie son 150.000.000. Imagináos la probabilidad de que se forme espontáneamente una gota de lluvia compuesta por tantas moléculas: infinitamente pequeña. Así que la conclusión es que no deberían formarse gotas de agua y no deberíamos tener lluvia.
El agua no es capaz de condensar, hablemos de energía
Si vemos el proceso desde un punto de vista energético, tenemos que entender la diferencia de energía entre el volumen y la superficie. Al formar enlaces en volumen las moléculas pasan a un estado de menor energía, y por la tendencia natural de los átomos al estado de mínima energía, este proceso es rentable y espontáneo. Sin embargo los enlaces en una superficie no son rentables y se requiere más energía del exteriror, por lo que la naturaleza tiende a evitarlos.
Pero todo volumen necesita una superficie que lo limite, y ahí viene el problema. Si la energía que se necesita para crear la superficie es menor o igual que la que se obtiene al crear el volumen correspondiente, entonces el proceso se producirá. La energía necesaria para la superficie es proporcional al radio al cuadrado de la esfera correspondiente, mientras que la energía del volumen va como el radio al cubo. Para radios muy pequeños es más importante la de la superficie y no se forman gotas de lluvia estables.
Para radios muy grandes, es más importante la energía del volumen. ¿Adivináis cuál es el punto a partir del cual domina la energía de volumen? sí, 150.000.000 de moléculas. La cifra mágica de la que ya hemos hablado antes y que nos enseña que no se puede formar gotas de agua en las nubes y por tanto la lluvia no puede existir.
¿Por qué se forma la lluvia?
Lo que hemos contado ahora es lo que ocurre cuando en el aire tenemos solo moléculas de agua, como ocurriría en una nube… si estuvieran completamente limpias. Pero la realidad es que en el aire existen grandes cantidades de partículas milimétricas de polvo y otras “basurilla”. Estas solucionan el problema de los 150.000.000 de moléculas porque presentan un entorno en el cual con muy pocas gotas tenemos una relación superficie/volumen menor y por tanto sí es rentable energéticamente que se cree una gota de agua.
Desde el punto de vista de los enlaces, tenemos muchos más vecinos para las moléculas de superficie por lo que están más fuertemente ligadas entre ellas y es más difícil que se marchen de la gota de lluvia. De esta forma ya no necesitamos 150.000.000 moléculas sino un número más razonable que sí se puede obtener en un tiempo pequeño y a partir del cual las gotas crecen hasta formar las gotas de lluvia que nos llegan a nosotros.
En resumen, podemos decir que, al menos en parte la vida en la tierra es posible gracias al polvo en suspensión, ya que sin él no habría lluvia y sin lluvia no hay agua líquida y si esta última la vida no es posible.