¹Marco A. Mora-Ramírez, ²Ignacio Muñoz Máximo

¹ Facultad de Ciencias Químicas, BUAP. marco.morar@correo.buap.mx

² DITCo, BUAP. ignacio.munozmax@correo.buap.mx

El agua subterránea representa un suministro critico de agua dulce, particularmente en regiones secas del planeta donde la disponibilidad de agua superficial es limitada (México, Arabia Saudita, India, Mongolia). Hay casos dramáticos de escases de agua como en el norte de África, y los países árabes. En 2020 en México casi dos tercios de los municipios se vieron afectados por la escasez del agua. El fenómeno de Cambio Climático ocasiona, entre otras cosas, sequias severas. Pero es importante mencionar que la demanda del recurso del agua (hídrico) está terminando dramáticamente con este valioso recurso natural. En este contexto es de resaltar el caso de la Inda con un crecimiento económico sostenido y, sus 1408 millones de habitantes (2021), que generan un incremento en la demanda de los recursos hídricos para servicios, pero, sobre todo, para la agricultura basada en la extracción de agua subterránea que se practica de manera intensiva en el norte de este país. Cabe mencionar que la India tiene el 17% de la población mundial, pero solo el 4% del agua dulce del mundo, y al mismo tiempo es uno de los países que más extrae agua del subsuelo. Pero conozcamos más, la India colinda al norte con el Himalaya, que es una de las cordilleras montañosas más sobresalientes del mundo, con más de siete mil metros por arriba del nivel medio del mar, y se caracteriza por sus elevadas alturas, picos escarpados y dentados, valles y glaciares alpinos. Imaginen la cantidad de agua subterránea que proporcionan los glaciares alpinos del Himalaya como recarga de agua potable; ya que tienen una extensión de aproximadamente el doble del área del Estado de Puebla (60 mil Km²).

En este sentido, la extracción de agua subterránea para la agricultura no debería ser una preocupación. Sin embargo, el agua subterránea en esta región del planeta a pesar de ser “abundante” está terminándose. ¿Pero, cómo podemos estimar la cantidad de agua subterránea que tiene el planeta?, y ¿cómo podemos monitorear -casi en tiempo real- los cambios en la abundancia de este recurso a nivel global? Me agrada mucho comentarles que la respuesta se basa en el uso de un par de satélites gemelos equipados con instrumentos sofisticados, pero aún más importante resaltar que la aplicación de estas tecnologías para estimar el agua subterránea en el planeta se fundamenta en la Leyes de Newton y el movimiento circular. Espero en las siguientes líneas poder presentar con éxito cómo funciona de manera general este “experimento global” para medir el agua subterránea del planeta. Me emociona sobremanera que la parte física es bastante simple y por lo tanto esta aplicación es extraordinaria. Precisamente comenzaremos estudiando sobre qué es lo que mantiene a un objeto dando vueltas en circulo. Pensemos en ejemplos de movimiento circular. Recuerdo la historia de mi padre donde jugaba con un “tontorrón” (escarabajo o abejorro) amarrándole una pata con un hilo delgado y provocando que el animalito al querer escapar volará en circulo.

En este ejemplo, la mano que jala el hilo proporciona una fuerza hacia adentro del círculo de la trayectoria del abejorro. Esta fuerza se conoce como fuerza hacia el centro, y recibe el nombre de fuerza centrípeta. De aquí en adelante usaremos Fc para referirnos a ella. Es importante realizar mentalmente de nuevo este experimento. Mientras que el abejorro ya está dando vueltas en circulo, ¿qué pasaría con la rapidez del abejorro si damos un pequeño jalón al hilo?, en otras palabras, ¿qué le pasa a la rapidez del abejorro si aumentamos la Fc?. La respuesta es que la rapidez del objeto que está dando vueltas aumenta cuando la Fc aumenta. Este hecho ocurre con todos los objetos que dan vueltas en circulo. Tal es el caso de los satélites que orbitan aproximadamente en circulo alrededor de la Tierra. Pero en este caso no hay un hilo o una cuerda para amarrar a los satélites a la tierra, es la fuerza de atracción gravitacional de la Tierra, que actúa de manera similar al hilo en el experimento del abejorro, la que hace posible que los satélites orbiten en “circulo” alrededor de la Tierra. Entonces, la fuerza de atracción gravitacional actúa como la Fc en el sistema Tierra-satélite.

La fuerza gravitacional depende la masa del satélite y de la masa de la Tierra (Resnick et al., 1992). Pero, la masa de la Tierra no es uniforme, piensen por ejemplo en la región del sureste de México, con una red compleja de cavernas, cenotes, ríos subterráneos, que dicho sea de paso representan un sistema hidrológico único en el mundo. Si la fuerza gravitacional depende la masa de la Tierra, entonces la fuerza gravitacional que actúa sobre un satélite varía dependiendo la región de la Tierra que sobrevuela el satélite. Recordando que la fuerza gravitacional en el sistema Tierra-satélite representa la Fc, significaría finalmente que un satélite que órbita alrededor de la Tierra cambia su rapidez dependiendo de la cantidad de masa que hay debajo de él; si sobre vuela una región de la Tierra donde debajo de la superficie de la Tierra hay solo cavernas, tendrá una menor rapidez que si sobrevolara una región altamente densa de la Tierra.

En 2002 fueron puestos en órbita dos satélites gemelos, con una distancia de separación que varía entre 170 y  220 kilómetros (NASA, 2023). La distancia de separación no es constante precisamente porque conforme los satélites gemelos sobrevuelan la Tierra, pasan por encima de áreas de gravedad distintas, si el satélite que lleva la delantera sobrevuela un área de mayor concentración de masa que el que va atrás, entonces aumenta su rapidez y se separa del que viene atrás. Cuando el satélite que viene atrás le toca sobrevolar esta misa área, también aumenta su rapidez y comienza a aproximarse (sin alcanzar) al satélite que va adelante. De manera que todo el tiempo, dependiendo de las irregularidades de la masa que hay debajo de la corteza terrestre de la tierra, los satélites gemelos están teniendo diferencias en sus velocidades y su separación.

Es increíble que los instrumentos de señales de microondas para medir la separación entre ambos satélites permitan medir cambios del orden de centímetros, cuando la distancia de separación entre ellos es de cientos de kilómetros. Piense que mientras Usted está en lo alto de un edificio en la Ciudad de Puebla, pudiera ver a su primo que se encuentra en otro edificio alto, pero en Veracruz y que su primo se encontrara levantando la mano con el índice señalando al cielo, pero que además Usted pudiera cuantificar que el dedo índice de su primo tuvo una pequeña inclinación, ¡increíble no!.

El cambio en la distancia entre los satélites ciertamente es imperceptible para nuestros ojos, pero el sistema de microondas extremadamente preciso está diseñado para detectar cambios minúsculos en la distancia entre los satélites. Además, un dispositivo de medición altamente preciso conocido como acelerómetro (parecido al que permite al teléfono celular detectar si el teléfono está en modo vertical u horizontal), ubicado en cada satélite, permite precisar la información de la posición exacta de cada satélite sobre la Tierra dentro de un centímetro o menos.

Figura 1. Etapas del sobrevuelo de los satélites gemelos para detectar anomalías gravitacionales. Nótese que a mayor masa debajo del satélite (y mayor F_c) hay una mayor velocidad. Elaboración propia.

De manera indirecta, los datos de separación entre los satélites, en combinación con otros modelos, permiten estimar la cantidad de agua subterránea en el planeta. Regresando al caso de la Inda, sabemos que en 2020 los recursos de aguas subterráneas extraíbles ascendieron a 397,62 billones de metros cúbicos, cifra que es inferior a la recarga de ese mismo año. Dicho de otra manera, en 2020 se extrajo mayor cantidad de agua que la capacidad de recarga, para el año siguiente hubo entonces una menor disponibilidad de este recurso y así sucesivamente. La herramienta de la NASA permite diseñar estrategias para un manejo regional adecuado de los recursos de agua subterránea en el planeta, hace evidente que el recurso no es infinito, a pesar de las grandes cantidades de agua en forma de hielo que pudieran disponerse del Himalaya, este recurso se está agotando debido a la extracción intensiva para la agricultura que demanda una población en aumento en cada rincón del planeta.

Queridos lectores, hemos visto brevemente como la tecnología acompañada de principios básicos de física nos permite evaluar la disponibilidad de agua subterránea a nivel global, pero al mismo tiempo es un intento para motivar la reflexión en torno al uso eficiente del agua en el mundo donde cada uno tenemos un papel que desempeñar y no podemos darnos el lujo de esperar.

Referencias

Abi-Habib, M., & Avelar, B. (2022). Sequía en México: el país enfrenta una emergencia del agua – The New York Times. The New York Times. https://www.nytimes.com/es/2022/08/03/espanol/mexico-monterrey-agua-sequia.html

NASA, J. P. L. (2023). GRACE-FO. https://gracefo.jpl.nasa.gov/

Resnick, R., Halliday, D., y Krane, K. S. (1992). Física (Vol 2.). Compañía Editorial Continental.

Rodell, M., & Li, B. (2023). Changing intensity of hydroclimatic extreme events revealed by GRACE and GRACE-FO. Nature Water 2023 1:3, 1(3), 241–248. https://doi.org/10.1038/s44221-023-00040-5

Statista. (2020). Global water withdrawals by select country. https://www.statista.com/statistics/260374/total-water-withdrawal-per-capita/

Studio, N. S. V. (2016). India ground water depletation. Groundwater Depletion in India Revealed by GRACE. https://www.youtube.com/watch?v=ewkXGrtjurI

Tan, A. (2008). Newton’s Law of Gravitation. In Theory of Orbital Motion (pp. 26–46). Encyclopedia Britannica. https://doi.org/10.1142/9789812709134_0002

Verma, R., & Jamwal, P. (2022). Sustenance of Himalayan springs in an emerging water crisis. Environmental Monitoring and Assessment, 194(2), 1–18. https://doi.org/10.1007/s10661-021-09731-6

Semblanza de los Autores

El Dr. Marco Antonio Mora Ramírez nació en la Ciudad de México hace 42 años. Estudio la Lic. en Física y el posgrado en Ciencias Químicas en la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM-I). Durante alguna etapa de su licenciatura, colaboró como ayudante para un proyecto de la campaña MILAGRO del MIT que lideraba el Dr. Mario Molina, esta actividad hizo que se diera cuenta de su gusto por los temas relacionados con la atmosfera, y del medio ambiente, de las virtudes de la colaboración académica entre universidades y la necesidad de intentar participar en otros proyectos fuera de México. Así que continuo sus estudios de posgrado en la UAM-I y realizo una estancia de Investigación en la Universidad de Cambridge en el Reino Unido. Así mismo realizo estancias posdoctorales en (i) el Centro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM (CDMX), y (ii) la Universidad de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines, Paris. Ha desempeñado trabajos como subdirector de calidad del aire en la SEMARNAT (CDMX), asesor en temas de cambio climático en el Centro Mario Molina (CDMX) y profesor asociado de la Universidad de Arizona, Tucson. En los últimos 6 años se ha desempeñado como profesor Titular de Tiempo Completo, en el Departamento de Fisicomatemáticas de la Facultad de Ciencias Químicas de la BUAP y es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (Nivel I).