Bomba biótica, misceláneos: Jean-André Deluc, Heinrich Hertz, Vientos cruzados meteorológicos y el Pájaro bebedor [*]

Ugo Bardi

Desde Florencia, Italia

Regulación Biótica y Bomba Biótica

Cómo los científicos del pasado comprendieron el papel del vapor de agua en la circulación atmosférica, si esos conocimientos se perdieron y qué conecta al ave bebedora con el concepto de bomba biótica.

ANASTASSIA MAKARIEVA

JULIO 13, 2025

A medida que más personas se interesan en la bomba biótica y me contactan con preguntas o invitaciones para hablar, intento desarrollar narrativas que conecten con diferentes públicos. Nunca se sabe qué puede resonar. Además, puede resultar un poco aburrido repetir los mismos argumentos una y otra vez.

La bomba biótica se impulsa por los gradientes de presión atmosférica generados por la condensación del vapor de agua y la gravedad. La publicación de hoy combina perspectivas teóricas históricas sobre la dinámica atmosférica inducida por condensación (CIAD) con una ilustración práctica: el juguete del pájaro bebedor, que funciona con los mismos principios —condensación y gravedad— para producir movimiento. Esto es para la mente. Para el corazón, también hay un breve video sobre la bomba biótica que presenta hermosos bosques al final de la publicación.

Jean-André Deluc

Mientras la Grande Armée de Napoleón soportaba el duro invierno ruso de 1812, el eminente físico suizo Jean-André Deluc (que entonces tenía 85 años) reflexionaba sobre el origen de la lluvia y el viento. En un artículo publicado ese año (Deluc, 1812, Gilberts Ann. d. Phys., 41, 162-194), escribió:

“Si [la lluvia] cae localmente (…), va acompañada de ráfagas más o menos fuertes, que se forman, (…) donde el vapor de agua se convierte en lluvia se origina una especie de espacio sin aire. Esta es la razón de los cambios repentinos en la dirección del viento, que cesan cuando el aire alcanza su densidad original”.

(traducido por el Dr. Stefan Emeis)

Con estas palabras, Deluc capturó uno de los dos elementos clave de la dinámica atmosférica inducida por la condensación: cuando el vapor de agua se condensa, se comprime hasta convertirse en un líquido con un volumen específico miles de veces menor que el del gas. Esta drástica reducción volumétrica provoca una rarefacción parcial en la zona de condensación, lo que genera una caída localizada de la presión atmosférica.

Cabe destacar que estas ideas provinieron de un científico que fue uno de los primeros en investigar las propiedades de los fluidos en evaporación e introducir el concepto de calor latente: la energía absorbida durante las transiciones de fase, como el derretimiento del hielo o la evaporación del agua.

Pero la reducción de presión tras la condensación es solo la mitad de la historia. El segundo elemento crucial es la retroalimentación positiva entre la condensación y el movimiento del aire. La condensación atmosférica no solo depende de la temperatura o la humedad, sino también del movimiento vertical del aire. A medida que el aire húmedo asciende y se enfría, la condensación se intensifica. Cuanto más fuerte es la corriente ascendente, más intensa es la condensación, lo que a su vez intensifica los gradientes de presión que impulsan el viento. Este ciclo de retroalimentación es la base de muchos fenómenos atmosféricos potentes.

Heinrich Hertz

De 1812, saltamos a 1885 para escuchar la conferencia inaugural de otro físico notable, Heinrich Hertz, impartida en la Technische Hochschule de Karlsruhe, donde posteriormente realizaría sus descubrimientos pioneros en electromagnetismo. Curiosamente, la conferencia de Hertz no trataba sobre electromagnetismo, sino sobre el equilibrio energético de la Tierra y la circulación atmosférica.

Esta conferencia inédita se conservó como un manuscrito de 50 páginas y fue publicada en inglés en 1997 por J. F. Milligan y H. G. Hertz en el American Journal of Physics. Yo mismo la conocí hace muy poco.

En la conferencia, Hertz (que entonces tenía 31 años) presentó un resumen notablemente preciso del balance energético de la Tierra. Entre otras cosas, estimó correctamente que la precipitación anual global era de aproximadamente un metro.

Cada año, podemos suponer que, en promedio, una capa de agua de un metro de altura sobre toda la Tierra se convierte en vapor de agua; en los polos, de hecho, mucho menos, pero en cambio, en la vasta zona tropical, considerablemente más. Probablemente se necesitan dos tercios de la energía solar que incide sobre la superficie terrestre para vaporizar esta gran cantidad de agua… Ahora bien, no podemos decir que esta cantidad [de energía] solo contribuye al calentamiento [de la Tierra]; sirve aún más como fuente de calor para una gigantesca máquina de vapor, que impulsa el movimiento de las nubes, los vientos y los océanos. Podemos decir que sirve para mantener el funcionamiento meteorológico de la Tierra. Pues, a medida que la meteorología progresa, se hace cada vez más evidente que la principal fuerza impulsora de los movimientos atmosféricos, cada vez más vigorosos, se busca en el calor latente del vapor de agua contenido en la atmósfera

Como Hertz mencionó una máquina de vapor, cabe destacar que, en estas máquinas, el trabajo lo realiza el vapor (vapor de agua) que se evapora en la caldera, se expande para realizar trabajo mecánico y luego se enfría y se condensa de nuevo en líquido en el condensador. La cantidad de trabajo realizado está determinada por la diferencia de presión entre el vapor en la caldera caliente y en el condensador frío. Esta diferencia de presión, a su vez, depende de la diferencia de temperatura entre la caldera y el condensador.

Para mi sorpresa, Hertz estimó que la diferencia de temperatura entre la caldera y el condensador de la Tierra era de unos 15 K.

En primer lugar, esta máquina de vapor funciona con límites de temperatura muy pequeños, lo cual siempre supone una dificultad. Si consideramos la superficie evaporada del mar como la caldera, debemos tomar como condensador la capa de aire donde se forman las nubes. Esta última capa es más fría que la caldera, y así debe ser, pues de lo contrario no sería posible la conversión de calor en trabajo. Sin embargo, la diferencia de temperatura no es grande; difícilmente podemos suponer que la diferencia entre la temperatura de la Tierra y la de la capa nubosa supere los 15 °C de media. Pero una máquina de vapor, cuyo condensador es solo 15 °C más frío que su caldera, puede, incluso con el diseño más perfecto, convertir como máximo aproximadamente 1/20 del calor proporcionado en trabajo útil.

En comparación, utilizando datos de reanálisis climáticos modernos, estimamos que la diferencia de temperatura media entre la superficie y la altura donde se produce la condensación es de alrededor de 18 K (Makarieva et al. 2017, Tabla 1). ¡Esto es muy aproximado!

La bomba biótica y cierta confusión en la ciencia atmosférica

Para los lectores no familiarizados con la meteorología o la ciencia del clima, puede que no sea evidente qué hace que estas ideas de científicos del pasado sean tan notables. Lo que llama la atención es que la idea del vapor de agua como principal gas de trabajo de la atmósfera parece haberse descartado sin una investigación exhaustiva. En cambio, la opinión predominante fue que el movimiento atmosférico se debe principalmente al calentamiento desigual de la superficie terrestre por el Sol.

Sin embargo, ya en el siglo XIX, Hertz señaló algo crucial:

Si la atmósfera fuera seca, las diferencias de temperatura existentes en ella sólo darían lugar a movimientos de menor importancia.

Veamos la importancia de esto para el concepto de bomba biótica. Este concepto sostiene que los bosques impulsan el transporte de humedad atmosférica mediante los vientos para satisfacer sus necesidades hídricas, y que el mecanismo físico que subyace a este bombeo son los gradientes de presión causados por la condensación y la precipitación del vapor de agua.

En consecuencia, se pueden argumentar en contra de la bomba biótica desde dos perspectivas.

Primero, que los bosques no impulsan en absoluto el transporte de humedad atmosférica, sino que simplemente existen donde las condiciones geofísicas favorecen su crecimiento.

Segundo, que los bosques sí pueden influir en el transporte de humedad, pero a través de un mecanismo diferente: específicamente, calentando el aire mediante el calor latente liberado durante la condensación, en lugar de mediante gradientes de presión causados por la extracción de vapor de agua de la fase gaseosa.

Abordaré la segunda objeción en otra ocasión, pero hoy quiero ilustrar la falta de consenso entre los científicos atmosféricos sobre el primer punto: si los bosques (y la vegetación en general) pueden impulsar vientos que aporten humedad.

Meesters et al. 2009 en su crítica del concepto de bomba biótica (ver nuestra respuesta publicada aquí), escribieron:

La circulación atmosférica se ve impulsada por gradientes de presión junto con la fuerza de Coriolis (debida a la rotación terrestre). Las diferencias de presión se deben a los distintos pesos de la columna de aire en distintos lugares, que a su vez se deben principalmente a las diferencias de temperatura. Estas últimas tienen dos orígenes principales: (1) el calentamiento diferencial superficial y (2) la condensación (un proceso en el que se libera calor). El segundo proceso ocurre principalmente en el aire que ya está siendo elevado por circulaciones térmicas. …
La circulación atmosférica se ve impulsada por gradientes de presión junto con la fuerza de Coriolis (debida a la rotación terrestre). Las diferencias de presión se deben a los distintos pesos de la columna de aire en distintos lugares, que a su vez se deben principalmente a las diferencias de temperatura. Estas últimas tienen dos orígenes principales: (1) el calentamiento diferencial superficial y (2) la condensación (un proceso en el que se libera calor). El segundo proceso ocurre principalmente en el aire que ya está siendo elevado por circulaciones térmicas. …

Por el contrario, Li & Fu 2004 , que investigaron el inicio de la temporada de lluvias en la selva amazónica, concluyeron exactamente lo contrario:

Por lo tanto, el forzamiento térmico debido al gradiente de temperatura sobre la Amazonia es probablemente demasiado débil [véase la cita de Hertz arriba — AM]. En segundo lugar, el gradiente de temperatura superficial entre el continente y el océano disminuye a medida que el flujo transecuatorial del norte y la convergencia de humedad aumentan durante la fase de desarrollo. Estadisminución sugiere que la transición de la circulación a gran escala no está controlada por el gradiente de temperatura superficial entre el continente y el océano. Los experimentos numéricos de Rind y Rossow (1984) han demostrado que el calentamiento en la troposfera media fuerza la circulación atmosférica a gran escala con mayor eficacia que el forzamiento térmico cerca de la superficie. Por lo tanto, el aumento de las precipitaciones locales puede forzar la transición de la circulación a gran escala sobre la Amazonia con mayor eficacia que el aumento del gradiente de temperatura superficial entre el continente y el océano.

En otras palabras, Li y Fu (2004) proponen, aparentemente en contraste con Meesters et al. (2009), que la convergencia de humedad sobre la Amazonia no se inicia por el calentamiento diferencial de la superficie, sino por el aumento de las precipitaciones locales y la consiguiente liberación de calor latente. Según su punto de vista, el aumento de la transpiración forestal provoca que los vientos inviertan su dirección (causes winds to reverse direction), extrayendo la humedad del océano hacia el bosque.

Cabría esperar que los científicos que critican un nuevo concepto relacionado con los bosques y el transporte de humedad estuvieran familiarizados con la literatura más amplia, en particular un estudio destacado como el de Fu y sus colegas, publicado por la Unión Geofísica Americana (American Geophysical Union). Sin embargo, su trabajo no fue citado por Meesters et al. (2009), ni por ninguno de los críticos de la bomba biótica que participaron en los debates de Hydrology and Earth System Sciences Discussions (2007) y Atmospheric Chemistry and Physics Discussions (2010-2011).

En aquel entonces, mis colegas y yo éramos nuevos en el campo, y el acceso a la literatura internacional de Rusia no siempre era sencillo. Debo reconocer que desconocíamos el trabajo previo de Fu y sus colegas hasta la publicación de Wright et al. (2017), tras lo cual comenzamos a citarlo regularmente.

En 2010, otro estudio enfatizó el papel de la vegetación en la generación de vientos mediante la liberación de calor latente. Tras analizar las relaciones entre la vegetación y la precipitación en el sur de África, Chikoori and Jury (2010)concluyeron en Earth Interactions, una revista de la Sociedad Meteorológica Americana:

Se postula que una precipitación temprana y su posterior reverdecimiento resultan en un flujo de humedad que promueve la siguiente precipitación. Esto se refleja en un análisis compuesto del potencial de velocidad a bajo nivel. La vegetación atrae el flujo de aire hacia sí misma de forma autosostenible.

Se postula que una precipitación temprana y su posterior reverdecimiento resultan en un flujo de humedad que promueve la siguiente precipitación. Esto se refleja en un análisis compuesto del potencial de velocidad a bajo nivel. La vegetación atrae el flujo de aire hacia sí misma de forma autosostenible.

Ver el vídeo clicando aquí: https://youtu.be/OHAsOF2zG6c

Si hay un vaso de agua frente a él, la cabeza del ave se moja de nuevo, lo que permite que el ciclo se repita, siempre y cuando la humedad relativa de la habitación se mantenga por debajo del 100%, para que la evaporación de la cabeza del ave pueda continuar.

Podemos aprender dos cosas de esta ave. Primero, si el aire está saturado y el agua no puede evaporarse, el ave no se moverá. Se necesita una diferencia de temperatura entre la cabeza y el cuerpo del ave para que el vapor en su interior se condense e impulse el movimiento.

Pero la evaporación por sí sola no es suficiente. Sin el ave, el desequilibrio entre el agua del vaso y el aire seco no causaría ningún movimiento perceptible. Lo que impulsa al ave a moverse es el recipiente sellado lleno de vapor y líquido que responde a la diferencia de temperatura, convirtiendo ese desequilibrio térmico en movimiento mecánico por la acción de la gravedad.

Cuando los bosques transpiran y liberan vapor de agua a la atmósfera, crean tanto el desequilibrio necesario para impulsar el movimiento como el mecanismo que lo genera. A medida que el aire asciende, se enfría, perdiendo energía interna a medida que gana energía potencial en el campo gravitacional terrestre. Este enfriamiento crea el gradiente de temperatura necesario.

Dado que el vapor de agua es un gas condensable, responde al descenso de la temperatura condensando y precipitándose, lo que reduce la presión superficial. Como resultado, el aire de las regiones circundantes comienza a fluir hacia la zona donde se produce la precipitación, de forma similar a cómo el fluido verde del pájaro bebedor asciende hacia la cabeza fría.

Pero a diferencia del juguete, donde el fluido ascendente no contribuye al ciclo energético, el aire que entra sobre los bosques aporta humedad adicional. Esto ayuda a mantener el ciclo del agua, incluyendo la entrada de aire inducida por la condensación, y permite que los bosques satisfagan sus necesidades hídricas constantes.