¿Qué tienen en común una bebida carbónica, los denominados géiseres fríos y tres lagos africanos? Detrás de esta pregunta de concurso se esconden, en realidad, unos cuantos fenómenos fisicoquímicos muy destacables. Uno de ellos, una transición al caos, a partir de un ligero cambio, que nos llevará al final de este artículo a reflexionar sobre nuestro nivel de perturbación del medio ambiente.

Os respondo primero la pregunta. Los tres sistemas anteriores tienen dos cosas en común. En primer lugar, que en todos los casos el dióxido de carbono cumple una función esencial. Y, en segundo, que en ciertas condiciones críticas este dióxido de carbono puede liberarse de forma repentina, y violenta.

Todos sabemos qué ocurre si agitamos una bebida carbónica y a continuación desenroscamos el tapón. No sólo se libera el gas carbónico, que previamente se había introducido a presión, sino que esa liberación arrastra una gran cantidad del líquido contenido en el refresco. Las redes sociales muestran con profusión el resultado de experimentos en los que esa liberación de gas se favorece de diversas formas, algunas de ellas sorprendentes.

 Si agitamos una bebida carbónica y abrimos rápidamente el tapón, la liberación del gas arrastra grandes cantidades del líquido.

Una situación comparable, la liberación de dióxido de carbono sobreacumulado en una capa freática inferior, explica el funcionamiento de los denominados géiseres fríos. Sirve esta nomenclatura para contrastar con los géiseres normales, los más frecuentes, en los que el fluido eyectado se produce por calentamiento del agua, hasta liberar vapor de ésta, junto con grandes cantidades de líquido. En todos los casos, la acumulación de presión se produce periódicamente, y la expulsión de la mezcla de gas y líquido se produce cada cierto tiempo, que puede variar desde minutos hasta meses o años. Los géiseres fríos no son muy abundantes, y se producen por la existencia de una aportación de dióxido de carbono subterráneo, de origen volcánico. Los géiseres fríos más conocidos son el Crystal Geyser, en Utah (EE.UU.), que emite un chorro de 20 metros de altura cada 15 horas, y el más espectacular de todos, el Géiser de Andernach, en Alemania, que eleva el fluido hasta los 60 metros de altura cada 2 horas, aproximadamente.

 El Crystal Geyser, en Utah (EE.UU.), uno de los pocos géiseres fríos que existen en el mundo. La expulsión del fluido se produce cuando el dióxido de carbono inyectado dentro de una capa freática subterránea sobresatura el agua. 

El caso de los lagos es el más exótico de todos, y el que potencialmente puede llevar a sucesos más violentos y catastróficos. Los lagos Monoun y Nyos, en Camerún, y el lago Kivu, entre la República del Congo y Ruanda, comparten las características de ser lagos de origen volcánico, y de contener grandes cantidades de dióxido de carbono disuelto, en el interior de sus aguas. Además, se trata de lagos que mantienen una estructura estratificada de sus aguas, es decir, que las aguas profundas no se mezclan con las superficiales. Son por ello lagos meromíticos. Al igual que ocurre con las bebidas carbónicas, y más propiamente con los géiseres fríos, ocasionalmente el dióxido de carbono del interior de estos lagos puede liberarse repentinamente, al mezclarse las capas profundas con las superficiales, dando lugar a un gigantesco chorro de gas y líquido de proporciones dantescas.
 
Este último caso no es especulativo. En 1984, concretamente el 15 de agosto, una extraordinaria explosión en el lago Monoun asfixió a 37 personas. Inicialmente se consideró la posibilidad, incluso, de un atentado. Sin embargo, una nueva y mucho mayor explosión, el 21 de agosto de 1986, en el lago Nyos, asfixió a más de 1700 personas y unas 3500 cabezas de ganado. La investigación de ambos sucesos permitió atribuir las causas a una explosión límnica, es decir, la liberación súbita de dióxido de carbono y la posterior asfixia por desplazamiento del oxígeno, debido a la circulación vertical de las capas de agua de ambos lagos.
 
¿Asfixia?
 
La causa de la tragedia no fue entonces la explosión en sí, sino la liberación de grandes cantidades de dióxido de carbono. Se han estimado que en la explosión del lago Nyos se liberaron hasta un millón de toneladas de dióxido de carbono.
 
Para ponerlo en perspectiva, el aire que respiramos contiene cantidades muy pequeñas, menores del 0,1 %, de compuestos que a grandes concentraciones serían nocivos. Me refiero al dióxido de carbono, CO2, el metano, CH4, el monóxido de carbono, CO, o el amoníaco, NH3, por citar algunos.
 
Como decía, normalmente su presencia en el aire es menor. Si se inyecta masivamente uno de estos gases, en cambio, se desplaza al oxígeno y se impide la respiración. Sería el caso de ambientes cerrados, sin ventilación, con presencia de materia orgánica que los pueda generar. Algunos ejemplos son las fosas sépticas, los túneles y garajes, los almacenes de grano, las bodegas, algunas grutas espeleológicas o el fondo de cráteres volcánicos moderadamente activos. Cerca de explosiones o incendios se puede producir también, al menos momentáneamente, un aire potencialmente irrespirable, debido a la rápida captura del oxígeno.
 
El lago Monoun y el lago Nyos han sido entonces los escenarios de dos de los eventos más devastadores de los que la humanidad haya tenido noticia, cuya causa sea pura y simplemente la asfixia, es decir, la contaminación del aire y su empobrecimiento de oxígeno.
 
Fotografía del lago Nyos, en Camerún, poco después del desastre de 1986. Se observa cómo el tsunami barrió el terreno circundante, hasta unos 25 metros de altura. La nube tóxica de dióxido de carbono, sin embargo, alcanzó un radio de unos 23 kilómetros más allá del lago, debido a la localización elevada de éste.
 
La explicación del fenómeno
 
La observación del fenómeno de este tipo en directo debe ser sobrecogedora. En cuestión de minutos, la superficie del lago se abomba, elevándose unos... ¡cien metros!, hasta que la inmensa burbuja explota, generando un tsunami de unos 25 metros de altura, que inunda los alrededores. A continuación, una espesa niebla blanquecina se expande en todas direcciones, a ras de suelo, viajando a unos 25 kilómetros por hora. La mayor densidad del dióxido de carbono, un 50 % más, respecto del aire, así como la localización elevada del lago, respecto del terreno circundante, facilita esta circulación, que se acrecienta pendiente abajo e invade todo lo que encuentra a su paso. Se ha calculado que durante unos 23 kilómetros, la nube de CO2 fue suficientemente concentrada como para causar asfixia.
 
El siguiente esquema explica con un poco más de detalle lo sucedido.
 
Esquema de la catástrofe del lago Nyos. Véase el texto para datos adicionales.
 
Destaca, en este aspecto, la mezcla de las capas de agua de los lagos, origen de las explosiones límnicas. ¿Por qué motivo, la simple mezcla de capas de agua, puede dar lugar a fenómenos tan catastróficos?
 
Se trata del verdadero aspecto crítico de los sucesos, aquel en el que una pequeña perturbación desencadena una enorme liberación de energía. Como ya hemos afirmado, los lagos volcánicos Monoun y Nyos se clasifican como meromíticos, es decir, que sus aguas no se mezclan verticalmente. Esto sucede, por ejemplo, cuando la profundidad es grande, comparado con la superficie del lago. El mayor lago meromítico conocido es en realidad un mar, el mar Negro, en el que las aguas por debajo de los 50 metros de profundidad no se mezclan con las aguas por encima de ese valor. En cambio, en los lagos holomíticos, la superficie y las capas profundas se mezclan verticalmente, al menos una vez al año.
 
Los lagos meromíticos Monoun y Nyos reciben, además, una constante aportación de dióxido de carbono, debido a la presencia subterránea de magma volcánico, que se inyecta en las capas más profundas del lago a través de una red de grietas y chimeneas. Puesto que la presión en las capas profundas es mucho mayor que en las superficiales, la cantidad de gas que puede disolverse es también mucho mayor en las capas de agua inferiores que en las superiores.
 
A mayor presión, más gas se disuelve
 
Efectivamente, cuanto mayor es la presión que ejerce el líquido, debido al efecto de la presión hidrostática, el gas se disuelve también en mayor proporción, puesto que el punto de burbuja, es decir, la presión que debe realizar la burbuja de gas, para formarse y ascender, se sitúa también a una presión tanto mayor.
 
Por tanto, tenemos más gas disuelto cuanto mayor es la profundidad. Si, por una perturbación externa, las diferentes capas de agua se mezclan verticalmente, las aguas inicialmente profundas pasan a ser superficiales, pero conteniendo muchísimo más dióxido de carbono del que admite el agua superficial. El exceso de gas forma entonces una inmensa burbuja, que escapa rápidamente y arrastra una gran cantidad de líquido al ascender.
 
La siguiente figura muestra cómo varía la cantidad de dióxido de carbono disuelto, con la profundidad, en medidas reales efectuadas en el lago Nyos. Se muestra, además, cómo esa cantidad varía con el tiempo, demostrando que el lago está sometido a una recarga constante debido a la inyección subterránea de origen volcánico.
 
Medidas de la cantidad de dióxido de carbono disuelto en el lago Nyos, en función de la profundidad. Las diferentes líneas muestran los perfiles de concentración a diferentes años, evidenciando el proceso de recarga natural del lago.
 
En el gráfico se observa, además, que entre 185 y 195 metros de profundidad, la cantidad de dióxido de carbono aumenta muy deprisa. Ello se debe a la cercanía del fondo del lago, lo que significa una mayor proximidad de las fuentes, y demuestra la dificultad que encuentra el gas para difundirse hacia profundidades menores. También contribuye que la temperatura aumenta al disminuir la profundidad, y los gases se disuelven menos cuanto más caliente está el agua.
 
¿Qué causó la mezcla vertical?
 
Se han especulado diversas causas. Una posibilidad pudo ser un corrimiento de tierras, que impactó de forma violenta sobre las aguas del lago, provocando así una turbulencia suficiente como para mezclar verticalmente el agua. Otra posibilidad pudo haber sido un pequeño terremoto en la zona. Sin embargo, no existen pruebas claras de ninguno de los dos fenómenos. Una tercera vía, quizá más plausible, pudo ser las intensas lluvias que se habían registrado recientemente, puesto que el agua caída tiene capacidad para provocar la mezcla vertical.
 
Sea como fuere, lo cierto es que una pequeña perturbación liberó el enorme exceso de dióxido de carbono almacenado en las profundidades del lago.
 
La progresiva recarga que muestra el gráfico anterior indica que el problema permanece latente, y que se podría desencadenar un nuevo episodio. Las mediciones mostradas facilitaron que se tomara la decisión de instalar tuberías de desgasificación en ambos lagos, precisamente para mitigar el peligro de explosión límnica. De hecho, las medidas más recientes publicadas, que corresponden a 2004, muestran que la cantidad de CO2 ha disminuido ligeramente. Se consideró, entonces, que una instalación adicional de tuberías permitiría aumentar la capacidad de control de la situación. A tal efecto se instalaron dos tuberías adicionales en 2011.
 
El problema del lago Kivu
 
Los anteriores desastres naturales quedarían en una triste anécdota, si no fuera por el aviso que representan para un lago 3000 veces mayor, el lago Kivu, situado entre Ruanda y la República del Congo. Si el accidente del lago Nyos supuso la liberación de 1 kilómetro cúbico del gas carbónico, en el lago Kivu se estiman almacenados unos 250 kilómetros cúbicos. Por si fuera poco, se almacenan además unos 65 kilómetros cúbicos de metano, debido a que los microorganismos del fondo del lago transforman parte del CO2.
 
El peligro potencial de explosión límnica está ahí, por tanto. Los registros fósiles muestran que, aproximadamente cada mil años, se ha producido una aniquilación masiva de seres vivos por asfixia, por lo que el evento muestra además una clara periodicidad. A orillas del lago viven más de dos millones de personas, por lo que la fatalidad sería de un nivel sin precedentes.
 
La sensibilización de la opinión pública y de las autoridades de la zona es clara, y se están llevando a cabo actuaciones más o menos decididas. Entre ellas, la instalación de plantas recolectoras de metano, del que su combustión está ya generando electricidad a razón de unos 25 megavatios. Se aprovecha así que el metano, mucho menos soluble que el dióxido de carbono, emerge fácilmente en las tuberías de desgasificación. Más compleja es la extracción del CO2, puesto que el tamaño y la profundidad del lago multiplican el coste.
 
Permitidme, por una vez, ser un poco tremendista
 
No parece que exista otro lago parecido, en ninguna otra parte de nuestro planeta. Pero la humanidad está actuando como las chimeneas volcánicas bajo los tres lagos africanos, inyectando CO2 a la atmósfera. La concentración de este gas en la atmósfera crece un 2 % anual. Ya he manifestado, en diversas ocasiones, que es este el problema ambiental más importante con el que nos enfrentamos, y que sí o sí requerirá de algún tipo de acción, tarde o temprano. Y no sólo para paliar el problema del calentamiento global. Que no sea que la atmósfera se convierta en un Kivu planetario...

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Xavier Giménez Font
Xavier Giménez Font

Profesor titular del Departamento de Ciencia de Materiales y Química Física, y miembro del Instituto de Quimica Teórica y Computacional, Universidad de Barcelona. Docente en química ambiental y química física de materiales, e investigador en simulación computacional de reacciones químicas con aplicación a I+D, y en innovación docente.  Divulgador científico, autor del libro El aire que respiramos (UB Edicions, 2018). 

Sobre este blog

La química de nuestro entorno desde una perspectiva global, que incluye su relación con las demás ramas de la ciencia, la tecnología, e incluso las disciplinas humanísticas. También se harán pequeñas incursiones en el mundo de la educación universitaria. Siempre al alcance de todos. Verás que la química es compleja, su mundo también, pero no tanto como pudiera parecer...

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