¿Por qué el agua permanece en la superficie de la Tierra?

Uno tiene que estudiar la estructura geológica de la tierra:

Figura 1: La estructura interior de la Tierra, con un primer plano del límite entre la litosfera y la astenosfera. Redibujado de Plummer & McGeary, 1997.

Existe la corteza oceánica, que es el límite entre la mayor parte del agua y la litosfera. Tiene una permeabilidad muy baja y, por lo tanto, los océanos contienen el agua como un cuenco de cerámica. Existe también una corteza debajo de los continentes. Allí, el acuífero puede ser bastante profundo y contener mucha agua.

El manto generalmente está caliente y cualquier agua que se filtre allí se convertiría en vapor y contribuiría a las presiones de gas de la lava dondequiera que aparezca.

Gravedad. En la medida de lo posible, los materiales de la tierra han migrado verticalmente para acercarse a un arreglo más cercano al equilibrio hidrostático. El agua líquida o el vapor de agua es mucho menos denso que la roca y puede fluir a través de la porosidad conectada en la corteza terrestre. En la profundidad de la roca, el peso de la roca suprayacente deforma la roca, colapsa los poros y desplaza el agua hacia la superficie. El agua también puede disolverse como soluto en roca fundida y puede ser un componente de minerales hidratados, estos materiales son más densos que el agua líquida y podrían transportar agua a profundidades mucho mayores en la tierra. Sin embargo, debido a que encontramos agua en la superficie, y debido a que los volcanes expulsan parte del agua, sabemos que no toda el agua de la tierra se encuentra en el interior.

Las inclusiones encontradas en xenolitos y minerales pueden proporcionar alguna evidencia de qué minerales hídricos existen en el interior de la tierra. Las cantidades posibles de estos minerales solo pueden estar limitadas por las mediciones geofísicas de la tierra (propiedades sísmicas y densidad, etc.) y lo que podemos aprender sobre las propiedades químicas y físicas de estos minerales a través de cálculos teóricos o experimentos de laboratorio. Por ejemplo:

Estudio de Compresibilidad y Expansión Térmica de Ringwoodite Fo100 Hidratado con 2.5 wt % H2O

Creo que la respuesta a esto es bastante complicada y tiene que ver con los cambios químicos que tienen lugar en las rocas durante la subducción. A las rocas generalmente les gusta absorber agua (se hidratan), pero bajo la intensa presión y temperatura de la zona de subducción, las moléculas de agua y los minerales se separan. No sé exactamente por qué sucede esto (de hecho, una vez le pregunté a un par de geoquímicos, pero no sabía suficiente química para entender la respuesta), pero creo que es básicamente porque la deshidratación es una reacción endotérmica y mucho calor. se está suministrando. Una vez que esto ha sucedido, el agua es menos densa que la roca y de alguna manera regresa a la superficie.

Habiendo dicho eso, el manto probablemente no esté completamente seco. Creo que es muy difícil estimar cuánta agua hay en el interior de la Tierra, pero algunos investigadores creen que el contenido de humedad es importante para lubricar el movimiento de las placas tectónicas. Pero aunque contienen algo de humedad, las rocas del manto son generalmente mucho más secas que las de la superficie. Sabemos esto porque cuando la roca nueva queda expuesta debido a la expansión de las placas tectónicas, sufre reacciones de hidratación que liberan mucho calor.

Entonces, las principales fuerzas que mantienen el agua en la superficie del planeta tienen que ver con la tectónica de placas. Si las placas dejaran de moverse, el agua probablemente sería finalmente absorbida por el interior, aunque este proceso llevaría mucho tiempo.

Se llama peso específico y el agua tiene un peso específico más pequeño que la roca, si encuentra agua entre las rocas solo porque está reemplazando el aire en las fisuras que de otro modo estaría allí. Es la misma pregunta preguntar por qué vuelan los globos aerostáticos. Lo mismo porque el aire caliente tiene un peso específico menor que el aire frío.

En las últimas semanas se anunció el descubrimiento de grandes cantidades de agua en el manto superior y la corteza. Es difícil confiar en los artículos de noticias escritos para el consumo común, pero se calculó que había varias veces más agua que la que hay en los océanos, justo debajo de los Estados Unidos (sin mencionar los otros continentes). Después de 4.500 millones de años, no sería sorprendente que las rocas debajo de nosotros contengan mucha agua, toda la que pueden contener, y probablemente estén en un equilibrio aproximado con los océanos y la atmósfera.

Recuerdo haber leído hace algunos años que algunos modelos geofísicos predijeron que las rocas y los océanos aún no estaban en equilibrio (y podrían no estarlo antes de que el Sol hierva los océanos). La preocupación era que los océanos continuarían siendo absorbidos por la corteza y el manto superior (a través de la subducción de placas), dejando eventualmente los océanos secos. No sé si este trabajo reciente acaba con ese miedo, o qué.

La Tierra tiene 8000 millas de diámetro. La profundidad promedio de los océanos es de 12,100 pies. Si lo reduce a un círculo/bola de 40 pies de diámetro que representa a la Tierra, los océanos tendrían un poco más de 3 milímetros de profundidad en esa bola de 40 pies. Eso significa que, en proporción al enorme tamaño de la Tierra, los océanos no son más que una fina película de agua que cubre su superficie. Agregue la salinidad, el electromagnetismo, la electrostática, la tensión superficial, la adhesión, la cohesión, la presión atmosférica, la subducción, las irregularidades de la superficie, la vida vegetal y el hecho de que no hay arriba o abajo en el espacio, y tiene fenómenos naturales más que suficientes para sostener el océanos a la tierra.