miércoles, 19 de febrero de 2014

¿POR QUÉ LAS ESTALAGMITAS SUELEN SER MÁS GRANDES QUE SUS ESTALACTITAS CORRESPONDIENTES?





Introducción:

Es probable que durante tus visitas por las cuevas te has dado cuenta que una estalagmita. suele tener más volumen que su estalactita correspondiente. Sin embargo, ¿alguna vez te has preguntado por qué esto es así? En este artículo intentaré explicar las razones de este fenómeno.

Punto importante: de una pareja estalactita/estalagmita puede que la estalactita es más larga, pero casi seguro que también es mucho más delgada. Por ejemplo, si comparamos una estalactita de 3 metros de largo y con un diámetro de 40 cm con una estalagmita de solo 2 metros de altura, pero con un diámetro de 1,6 metros, entonces el volumen de la estalagmita es unos 10 veces mayor.

Ahora explicaremos porque las estalagmitas a menudo son mayores que sus estalactitas correspondientes. Para no perder el hilo, la explicación se ha dividido en cuatro partes. 



PRIMERA PARTE DE LA EXPLICACIÓN:

¿Qué pasa cuando la roca caliza está en contacto con agua que tiene cierta cantidad de dióxido de carbono? 


Pues el dióxido de carbono forma un ácido débil que es capaz de disolver el carbonato cálcico , formando el bicarbonato de calcio. Está reacción se puede visualizar con la siguiente ecuación: 

H2O + CO2 + CaCO3  ↔  Ca2+ + 2HCO3¯
 (agua) + (dióxido de carbono) + (carbonato cálcico) ↔ (bicarbonato de calcio)



Ya os oigo decir “¡venga ya, otra ves las ecuaciones químicas!” ¡Pues no las vamos a usar más! La única razón porque he puesto esta ecuación es para tratar un aspecto muy importante: el símbolo del medio con las dos flechas indica que se trata de una reacción en equilibrio. Es decir, que de todo el dióxido de carbono (CO2) que se encuentra en el agua (H2O) sólo una parte es usada para disolver el carbonato cálcico o calcita (CaCO3). Para simplificar el asunto vamos a suponer que antes de empezar la reacción habían 100 moléculas de dióxido de carbono en el agua. De estas 100 moléculas 50 son usadas para disolver 50 moléculas de calcita, mientras que las otras 50 moléculas de dióxido de carbono se quedan disueltas en el agua. Es más: no sólo se quedan disueltas en el agua, sino que necesariamente deben de estar allí para evitar que la reacción no se revierta y el bicarbonato de calcio se precipite volviendo a su forma de calcita.

RESUMEN: no todo el COque se encuentra en el agua es usado para disolver la roca caliza y además esta parte no usada del COes necesaria para evitar que la calcita disuelta se vuelva a precipitar.


Nota: la roca caliza está compuesta principalmente de calcita, y la calcita es una forma del carbonato cálcico, otra forma del carbonato cálcico es por ejemplo el aragonito. Para no complicarnos la vida, en este artículo se usan las palabras caliza, calcita y carbonato cálcico como sinónimos, aunque estrictamente no sea así. 
Entonces, en este artículo calcita = caliza = carbonato cálcico = CaCO3


SEGUNDA PARTE DE LA EXPLICACIÓN:

¿De dónde viene el dióxido de carbono que se encuentra en el agua?
Pues el aire contiene dióxido de carbono y el agua de lluvia absorbe una pequeña cantidad. Sin embargo, esta cantidad suele aumentar significativamente cuando el agua de lluvia entra en el suelo, donde puede ser multiplicada hasta 100 veces la cantidad original.
Para simplificar nuestro ejemplo, suponemos que la cantidad de moléculas de dióxido de carbono en el aire son 2 por unidad de volumen y que esta cantidad aumenta hasta 100 en el suelo (en este caso se ha multiplicado por 50).
Después de pasar por el suelo el agua de lluvia, que ahora contiene 100 moléculas de dióxido de carbono, entra en la roca caliza por sus fisuras y empieza a disolver la calcita. Como hemos supuesto en la primera parte de la explicación, unas 50 moléculas son usadas para disolver 50 moléculas de calcita y las otras 50 moléculas quedan en solución y además éstas últimas son necesarias para mantener la roca caliza disuelta.

RESUMEN: la cantidad de CO2 presente en el agua aumenta considerablemente en el suelo antes de entrar en la roca caliza por las fisuras.


Esta foto muestra claramente un caso donde las estalagmitas son mucho más grandes que las estalactitas correspondientes.


TERCERA PARTE DE LA EXPLICACIÓN:

¿Qué pasa cuando el agua con la calcita disuelta entra en una caverna que está conectada con el exterior, por ejemplo por una galería?

El aire en la cueva contiene algo más COque el aire del exterior (hemos supuesto 2 moléculas por unidad), pero mucho menos que el agua de la gota que cuelga de la punta de una estalactita (50 moléculas por unidad de volumen). Suponemos que el aire de la cueva contiene 5 moléculas de dióxido de carbono por unidad de volumen. Por la diferencia de las concentraciones (en gases se llama “presiones parciales”) algunas moléculas se moverán desde la gota hacia el aire de la cueva. Sin embargo esto tiene consecuencias porque como ya hemos visto, estas moléculas son necesarias para mantener la calcita disuelta. Suponemos que en el lapso de tiempo que la gota está colgada de la estalactita se escapan 7 moléculas de dióxido de carbono. Ahora el equilibrio de la ecuación se ha roto. Por tanto una pequeña parte del bicarbonato del calcio se revierte otra vez en dióxido de carbono, agua y carbonato cálcico (la reacción va al revés):

Ca2+ + 2HCO3¯ ↔  H2O + CO2 + CaCO3 

Suponemos que 3 moléculas de bicarbonato se convierten en 3 moléculas de dióxido de carbono (compensando 3 de las 7 moléculas de COque se habían movido hacia el aire de la cueva) y 3 moléculas de carbonato cálcico (que se precipiten en la punta de la estalactita). Por tanto, una vez que la gota está cayendo tendrá 46 moléculas de dióxido de carbono y 47 moléculas de calcita disuelta.


RESUMEN: por las diferencias de concentraciones de dióxido de carbono entre el aire de la cueva y la gota de agua que cuelga de la estalactita, una pequeña parte de COse escapa de la gota y una cantidad todavía más pequeña de calcita se precipita sobre la estalactita.


Nota importante: en este ejemplo se ve que la relación entre las cantidades mencionadas no es lineal (en este ejemplo 4 moléculas de CO por 3 moléculas de calcita). Cuánto más calcita se encuentra ya disuelta, más dióxido de carbono es necesario para disolver la siguiente molécula de calcita. Viceversa, las primeras moléculas que escapan del agua sólo causan la precipitación de muy poca calcita. Cuando en 1964 Bögli publicó su famoso trabajo sobre la corrosión de mezclas, la cual en su día se usaba para explicar la formación de casi todas las cuevas, se basó en esta relación no lineal.



CUARTA PARTE DE LA EXPLICACIÓN:

¿Qué ocurrirá cuando esta gota de agua caiga sobre la estalagmita?

Cuando esta gota finalmente caiga sobre la estalagmita se deshará en mil pedazos, es decir, se fragmenta en muchísimas gotas mucho más pequeñas. En ese momento ocurrirá el mismo proceso que cuando se sacude un bote de refresco y luego se abre: una gran parte del gas que estaba disuelto en el agua (o refresco) se liberará de golpe. Suponemos que en esta explosión de la gota se han escapado tantas moléculas de dióxido de carbono, que para compensar esta pérdida hace falta que 30 moléculas de bicarbonato de calcio se tienen que revertir en CO2 y CaCO3. Estas 30 moléculas de calcita se precipitarán sobre la estalagmita. Entonces, en este ejemplo la estalagmita crece 30 moléculas con cada gota de agua que caiga sobre ella, mientras que la estalactita sólo crece 3 moléculas. ¡Con otras palabras, en este ejemplo el volumen de la estalagmita aumenta 10 veces más deprisa que la estalactita! 

RESUMEN: el efecto “sacudir un refresco” que ocurre en el momento que la gota rompe en la estalagmita, hace que una gran cantidad de la calcita disuelta se precipite sobre la estalagmita.


CONCLUSIÓN FINAL:  sobre la estalactita se precipita una pequeña cantidad de calcita, mientras sobre la estalagmita se precipita una gran cantidad. ¡Con otras palabras, el volumen de la estalagmita aumenta mucho más deprisa que el volumen de la estalactita!



Nota: la liberación de COdurante los procesos explica la mayor concentración de COen el aire de la cueva respecto al aire del exterior, aunque una libre circulación entre estos dos aires evitará una acumulación muy alta de CO2 en el aire de la cueva.


Nota final: está claro que en este artículo sólo quiero explicar un principio y que las verdaderas proporciones entre estalactita y estalagmita correspondiente pueden variar. Por ejemplo, he visto estalactitas muy pequeñas, o casi inexistentes, donde un chorro de agua había formado una gran estalagmita correspondiente. En este caso la explicación es que el agua escurre muy rápido y no hay tiempo para que el dióxido de carbono escape y por tanto se precipita muy poca calcita. Lo contrario ocurre si las gotas se quedan colgadas de la estalactita por relativamente mucho tiempo. Otros factores son el grado de saturación (en porcentaje del máximo posible) y la concentración absoluta (en milligramos) de calcita de la gota que entra en la cueva.
Sabemos que en la espeleogénesis rara vez se trata de un proceso aislado, lo que puede complicar mucho el entendimiento. Sin embargo, esto no nos puede detener en nuestros intentos para intentar explicar los principios individuales. Espero que en este caso una razón porque tantas estalagmitas son mucho más grandes que sus estalactitas correspondientes haya quedado clara.





7 comentarios:

Annart dijo...

Muy buena la explicacion. Nunca se me ocurrio pensar en el dioxido de carbono....y las excentricas?...hay esplicacion similar....porque desafian la gravedad?

Marius van Heiningen dijo...

Gracias Annart, el asunto de las excentricas es mucho más complicado y además hay un montón de teorías. A mi me gusta la teoría de que los cristales de calcita no encajan bien porque tienen forma de cuña. Por eso la excéntrica empieza a revirarse.

Un saludo.

Javi dijo...

Que alegría me ha dado ver que has escrito otro artículo. Muchísimas gracias por compartir aquí tus conocimientos, de verdad. Da gusto que haya gente así. Yo te animo a que sigas escribiendo sobre estas y otras cosas.

Marius van Heiningen dijo...

Hola Javi, muchas gracias por tu ánimo. Solo escribo para que la gente lo puede aprovechar y espero que sea así. Si no sería una pérdida de tiempo, no!?

Un cordial saludo

brownerman dijo...

Me ha gustado mucho tu explicación, felicidades. Y el tema de las excéntricas tambien nis trae de cabeza, como es posible que desafien la gravedad. Un saludo desde Málaga.

brownerman dijo...

Me ha gustado mucho tu explicación, felicidades. Y el tema de las excéntricas tambien nis trae de cabeza, como es posible que desafien la gravedad. Un saludo desde Málaga.

brownerman dijo...

Me ha gustado mucho tu explicación, felicidades. Y el tema de las excéntricas tambien nis trae de cabeza, como es posible que desafien la gravedad. Un saludo desde Málaga.

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