¿Por qué la absorción del sonido en los océanos depende del pH?

Question

Estaba leyendo "La sexta extinción: Una historia antinatural", de Elizabeth Kolbert, y allí comenta ese alto nivel de $CO_{2}$ en la atmósfera disminuye el pH de los océanos (lo que tiene sentido) y, en consecuencia, disminuye la absorción del sonido:

¿POR QUÉ es tan peligrosa la acidificación de los océanos? La pregunta es difícil de responder sólo porque la lista de razones es muy larga. Dependiendo de la capacidad de los organismos para regular su química interna, la acidificación puede afectar a procesos básicos como el metabolismo, la actividad enzimática y la función de las proteínas. Como cambiará la composición de las comunidades microbianas, alterará la disponibilidad de nutrientes clave, como el hierro y el nitrógeno. Por razones similares, cambiará la cantidad de luz que atraviesa el agua y, por razones algo diferentes, alterará la forma en que se propaga el sonido. (En general, se espera que la acidificación haga que los mares sean más ruidosos).

Entiendo que la absorción del sonido depende de las propiedades materiales del medio, pero no me parece trivial que el agua más ácida tenga una absorción diferente a la del agua neutra. ¿Alguien podría explicar el mecanismo físico que hay detrás de esto?

(No estoy exactamente seguro de que esto pertenezca aquí, pero como trata de las propiedades de los materiales, pensé que encajaría mejor aquí que en Química SE)

Answer 1

Aunque sea difícil de creer, el pH tiene un efecto sobre la absorción del sonido en el agua.

Hay algunas reacciones que se ven afectadas por la presión, es decir, la presión cambia su equilibrio. Un ejemplo es el equilibrio entre el ácido bórico y el ion borato:

$$ B(OH)_4\,^- + H^+ \rightarrow B(OH)_3 + H_2O $$

El aumento de la presión empuja la reacción hacia la derecha, y al hacerlo absorbe energía. Esa energía proviene de la energía de la onda sonora, por lo que, aunque parezca inverosímil, la reacción química absorbe el sonido. Cuando se libera la presión, la reacción vuelve a la izquierda, pero la energía se libera en forma de calor, no de sonido. El resultado neto es que la energía del sonido se convierte en calor.

El problema con la bajada del pH es que al bajar el pH se desplaza el equilibrio hacia la derecha por lo que hay menos borato y más ácido bórico. Eso deja menos borato para absorber el sonido. Así que un pH más bajo significa menos absorción de sonido.

Si está interesado, hay un artículo sobre esto en Scientific American y una publicación científica más rigurosa aquí (lamentablemente no está disponible en línea). Limón nos ha facilitado este enlace, Investigación de la absorción química del sonido en el agua de mar y buscar en Google debería encontrar más publicaciones relevantes.

El efecto es muy pequeño, entre otras cosas porque las concentraciones de ácido bórico/borato en el agua de mar son pequeñas. Sin embargo, el sonido se propaga a grandes distancias en el agua, cientos de kilómetros. Así que incluso un pequeño cambio en la química del agua puede tener un efecto medible. El primero de los documentos que he enlazado menciona que :

La atenuación del sonido en la gama de frecuencias bajas es principalmente debido a la relajación del ácido bórico y es una función del pH del agua de mar.

(énfasis mío)

Si ese efecto es realmente lo suficientemente grande como para ensordecer a los delfines es un tema de debate.

Answer 2

El autor debería haber sido más específico al respecto o, al menos, proporcionar una referencia. La velocidad del sonido en el agua depende del módulo de masa y de la densidad del agua, por lo que en los océanos abiertos los factores que más afectan a la velocidad del sonido son la salinidad, la profundidad (presión) y la temperatura. Yo estudié ingeniería oceánica y he hecho cursos de oceanografía física y química, sistemas de instrumentación submarina, etc., y creo que nunca he visto nada que relacione el pH con la velocidad del sonido.

Quizás el autor estaba pensando que los cambios en el pH están relacionados con la salinidad. Hay una conexión. Pero "Hacer los mares más 'ruidosos'" parece ser una afirmación de impar respecto a la vitesse del sonido. Eso es más un tema para el sonido absorción pero tampoco veo cómo podría cambiar el pH.