XV. METODOLOGÍA Y EQUIPO PARA EL ESTUDIO DE LA OCEANOGRAFÍA QUÍMICA

CON excepción de los seres vivos que se encuentran en el océano y del material sólido inorgánico que tiene en suspensión, el mar es una solución acuosa formada por agua que disuelve a gran cantidad de elementos y compuestos. El comportamiento químico de esta solución es muy complejo y es estudiado por la oceanografía química.

Cualquier investigación realizada por esta ciencia se basa en una serie de datos que deben ser conocidos profundamente debido a que toda observación de la química del océano está influenciada por otras variables, básicamente físicas, aunque también intervienen algunas geológicas y biológicas.

Las principales variables o características fisicoquímicas que interaccionan en el mar son la temperatura, la salinidad, la concentración de nutrientes, y pueden cambiar con respecto al tiempo y al espacio donde se presentan; es importante conocer la periodicidad y extensión de estas modificaciones en el océano, con lo cual los oceanógrafos pueden pronosticar el estado del mar en forma semejante a los pronósticos meteorológicos.

En el caso de variabilidad en el tiempo, es necesario repetir durante años, meses, días y horas el registro de datos en la misma zona, mientras que en el caso de cambios en el espacio, es deseable obtener observaciones simultáneas en diferentes zonas del océano, necesitándose el uso de 2 o más barcos o unidades de registro. Los barcos deben permanecer con el mínimo de deriva y navegar a bajas velocidades cuando se realiza una determinación.

La mayoría de las acciones y algunas observaciones se hacen mientras el barco está más o menos fijo en un punto del mar, tales como la toma de muestras de agua y temperatura a diferentes profundidades, muestras de fondo, muestreos biológicos, mediciones de visibilidad, y otras.

Para hacer estudios de oceanografía química, las muestras de agua del mar se recolectan de diferentes profundidades por medio de instrumentos especiales. Las muestras obtenidas son colocadas en frascos de vidrios y analizadas algunas veces en el barco y otras son llevadas a los laboratorios en tierra, para conocer sus constituyentes, tales como salinidad, oxígeno disuelto y nutrientes, entre otros.

Como los métodos de análisis para cada constituyente químico son diferentes, el volumen necesario, de la muestra, el tipo de frasco usado, el tiempo permitido antes del análisis y los métodos de toma de muestras son especiales en cada caso.

Las muestras para análisis del oxígeno disuelto en el agua del mar son las que generalmente se recolectan en primer lugar y se colocan en frascos de vidrio color ámbar, de 250 milímetros con tapón de vidrio esmerilado.

Antes de la toma de la muestras, los frascos y el tapón deben ser enjuagados con una pequeña cantidad de agua de la muestra, girando la botella para que el agua moje todas las paredes evitando ser agitadas.

Teniendo en cuenta que el contenido de oxígeno disuelto varía con rapidez en la muestra, es conveniente efectuar la primera determinación a bordo, inmediatamente después de la colecta, en el propio laboratorio del barco. La segunda dosificación se puede hacer en el mismo barco, o bien en los laboratorios de tierra.

Las muestras de oxígeno disuelto deben ser procesadas lo más rápido posible y su contenido se determina por el método Winkler; éste consiste en la oxidación del hidróxido de manganeso por el oxígeno del agua del mar, cuando se les añade ácido; el manganeso oxidado reacciona con yoduro de potasio y pone en libertad una cantidad de yodo equivalente a la cantidad de oxígeno que se titula, es decir, se calcula su contenido, con una solución valorada de tiosulfato de sodio, usando como indicador el almidón soluble, y la cantidad de almidón que se gasta corresponderá a la cantidad de oxígeno disuelto en la muestra.

El precipitado que se forma será más o menos de color castaño, según sea el contenido de oxígeno del agua. Si el precipitado toma un tono blanco, significa que no hay oxígeno o es escaso; si es amarillo claro el contenido de oxígeno es pobre, si es castaño existe mucho gas.

Este procedimiento simple y más o menos exacto ha sido sustituido por otros, como el del C¹⁴ desarrollado por el oceanógrafo Steeman Nielsen, en el que se agrega a la muestra C¹⁴ , se expone a la luz y después se mide la cantidad de carbono marcado que es fijado por los pequeños vegetales verdes marinos cuando realizan su fotosíntesis, pudiéndose calcular la cantidad de oxígeno presente.

Actualmente existen aparatos electrónicos para determinar oxígeno disuelto, pero la precisión de algunos de ellos deja todavía mucho que desear; además, la inmersión de los elementos a fin de recoger muestras a profundidades medianas y grandes aún se encuentra en experimentación.

En relación con el nitrógeno disuelto no se puede determinar por métodos químicos directos, por lo que se usan las técnicas gasométricas; para lo cual la muestra de agua marina se acidifica y se le hace el vacío, o bien se hierve para liberar los gases. El gas residual que queda después de haber sido hervida la muestra o después que se ha aplicado el vacío, se determina como nitrógeno más los otros gases inertes como el argón, helio, etcétera.

La presencia de otros gases disueltos como el sulfuro de hidrógeno o el ácido sulfhídrico, puede ser detectado por su característico olor a huevo podrido.

Actualmente, para medir los gases disueltos en el agua oceánica, se han diseñado aparatos llamados autoanalizadores químicos, que pueden determinar sus cantidades en base a medios calorimétricos. Estos aparatos pueden además registrar la presencia de otros componentes del agua del mar como nitratos, nitritos, silicatos, fosfatos, etcétera. Además tienen la gran ventaja de reducir los posibles errores de manipulación.

Las cantidades de gases disueltos en el agua del mar se reportan en milímetros o centímetros cúbicos, a presión y temperatura normales.

El agua del mar contiene en promedio 35 gramos de sales por cada litro de agua. La determinación química de la concentración de las sustancias disueltas que intervienen en la salinidad del océano no es difícil pues ciertos elementos disueltos, tales como el cloro y sodio, se encuentran presentes en muy alta concentración, formando el 80 por ciento de las sales disueltas, mientras otras, como el manganeso, el níquel, el oro, etcétera, están en pequeñas cantidades y algunas de ellas no han podido ser determinadas en el agua del mar, y sólo se han encontrado en organismos y depósitos salinos. Además del sodio y el potasio, constituyentes difíciles de determinar con precisión, es virtualmente imposible separar sustancias relacionadas con ellos, tales como fosfatos, arseniatos, calcio, estroncio, cloruros, bromuros y yoduros. En estos casos, los elementos combinados se determinan juntos y se reportan como si fueran uno solo; esto es, el calcio y el estroncio se reportan corno calcio, y los cloruros, bromuros y yoduros se reportan a su vez como cloruros.

Hasta hace pocos años, la salinidad se calculaba mediante una dosificación química normalizada, método creado por el oceanógrafo danés Knudsen, el que se basa en determinar la clorinidad del agua del mar, es decir, la cantidad de cloro por litro de agua, la cual es proporcional a la cantidad de sales.

Las muestras de agua para la determinación de salinidad son preservadas en frascos especiales que tienen un tapón de vidrio o porcelana con un sello de hule, el que se cierra herméticamente por medio de un dispositivo que los mismos llevan en el cuello.

Los frascos son numerados, almacenados y colocados en sus cajas. Si las muestras se van a analizar a bordo, se deben dejar reposar un mínimo de 6 horas para permitirles que adquieran la misma temperatura, tanto del laboratorio como de los aparatos y reactivos químicos que se usan en el análisis.

La clorinidad se determina en el método de Knudsen, por medio de una solución de nitrato de plata, la cual se valora comparando su acción sobre el agua del mar llamada "normal", que sirve de patrón y por lo general contiene más o menos 19 gramos de cloro por kilogramo de agua del mar. Bajo los auspicios de la Asociación Internacional de Oceanografía Física, esta agua patrón, una vez verificada, se vende en ampolletas cerradas, siendo distribuidas por el Laboratorio Oceanográfico de Charlott en Lund, Dinamarca. A fin de determinar la clorinidad de la muestra con la precisión exigida en los trabajos de oceanografía química, en los que se requiere una exactitud hasta centésimas, en estos laboratorios se utiliza toda una batería de pipetas, buretas, etcétera, rigurosamente calibradas. Con este método se logra una aproximación de más o menos 2 centésimas de gramo por mil de la salinidad.

Desde hace 3 lustros, gracias a las investigaciones de los oceanógrafos anglosajones, la industria ofrece aparatos de laboratorio basados en el principio de la inducción, y que pueden proporcionar el valor de la salinidad con la misma precisión que con el método Knudsen. La ventaja del instrumento electrónico es la de poder utilizarse a bordo, y permite además procesar un número de muestras considerables.

Aparte de estos métodos directos que se basan en las propiedades químicas, otros métodos para determinar la salinidad son por medios físicos, como la densidad, índice de refracción, temperatura de congelación y conductividad eléctrica.

El primer método consiste en medir directamente la densidad de la muestra del agua, pasándola por un aparato especial, el picnómetro, método muy preciso, aunque largo y minucioso que exige infinitas precauciones y no puede emplearse para un trabajo en serie.

La determinación de la salinidad por medio de la densidad también se puede medir directamente introduciendo en el agua el aparato llamado densímetro o hidrómetro en el que se registra su peso específico, que cambia según la cantidad de sales disueltas que contenga.

Este método se utiliza cuando no se necesita gran precisión, como en el caso de estudios biológicos que solo requiere aproximaciones a 0.1% y no de 0.01% como en los de oceanografía física y química.

Para medir la salinidad en base al índice de refracción se utiliza el refractómetro, que permite conocer la desviación de los rayos luminosos según la cantidad de sales, iluminando una escala; la parte iluminada aumenta de acuerdo a como se incremente la salinidad en la muestra. Es un método con el que se obtienen valores aproximados, con la ventaja de ser rápido y permite utilizar unas gotas de la muestra.

El método por medio de la temperatura de congelación consiste en determinar la temperatura en la que la muestra de agua marina se congela, siendo esta temperatura más baja mientras más salada sea el agua. Este método es muy laborioso y requiere de un laboratorio bien equipado para obtener resultados exactos.

Actualmente el método más usado para medir con precisión la salinidad se basa en la determinación de la conductividad eléctrica del agua del mar. El agua pura no es conductora de electricidad, pero cuando contiene sales disueltas, sus moléculas se encargan de transportar cargas eléctricas, siendo esta conductividad directamente proporcional a la cantidad de sales que existen en disolución.

A partir de numerosas determinaciones simultáneas de salinidad y conductividad, se han podido elaborar tablas, en las que, después de una corrección por el efecto de la temperatura, se puede determinar la salinidad con una precisión semejante a la obtenida con el método de clorinidad, con la ventaja de que la medida de la conductividad es más rápida y fácil. Se han construido aparatos, como la batisonda, que va registrando la conductividad de forma continua conforme desciende, registrando la salinidad a diferentes profundidades.

Cada uno de estos métodos ofrece ventajas e inconvenientes y se selecciona de acuerdo a la exactitud que las investigaciones exijan; sin embargo, para el trabajo de rutina el más utilizado es el método químico que mide la clorinidad.

Además de los gases y elementos en disolución, interesa a los oceanógrafos químicos el contenido de sales nutritivas, como los fosfatos, los nitratos y el sílice, que condicionan la abundancia y la distribución de los seres vivos en el seno de las aguas oceánicas. La muestra se guarda en botellas de plástico de 200 mililitros de capacidad, dejando un espacio de aire de aproximadamente 2 centímetros; se guardan en refrigeración a menos de 18ñ C hasta su análisis. Estas determinaciones se efectúan en los laboratorios, mediante dosificaciones químicas, o bien, por medio de procedimientos fotométricos.

Son muchos los datos que faltan de conocer de la química del océano, por lo que los científicos están haciendo cada vez mayores esfuerzos para incrementar estos conocimientos y así contar con la información que permita entender los fenómenos químicos que se desarrollan en las aguas marinas y para aprovechar la enorme riqueza que representan estos recursos.