El impacto oculto de la lluvia en la erosión: cómo se forman “bolas de arena” que arrastran sedimentos

El desplazamiento de las gotas de lluvia por laderas de tierra seca revela un fenómeno de erosión mucho más intenso de lo estimado hasta ahora, según una investigación publicada en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

El trabajo plantea que el desplazamiento de las gotas tras el impacto inicial no solo contribuye a la erosión superficial, sino que, al formar “bolas de arena”, movilizan cantidades de sedimento que superan hasta por diez el material removido durante la salpicadura inicial.

Las observaciones en campo que motivaron este estudio surgieron durante una visita a la Ruta de la Sorge en Ecublens, Suiza, donde el equipo de investigación detectó que las gotas de lluvia rodaban colina abajo recogiendo partículas de arena a su paso. Tras documentar este fenómeno con cámaras, los científicos trasladaron la investigación al laboratorio con el objetivo de analizar en detalle las transformaciones morfológicas y físicas de las gotas en este contexto.

Los detalles de la investigación

Para replicar el proceso, los investigadores montaron un lecho de 1,2 metros de longitud, recubierto con arena de silicato seca e inclinado treinta grados. Este entorno controlado permitió obtener registros precisos de la evolución de las gotas, tanto en su forma como en sus parámetros dinámicos. Las observaciones revelaron que, a medida que la gota rueda pendiente abajo, aumenta rápidamente no solo su velocidad sino también su capacidad para arrastrar sedimento.

En palabras de los autores del estudio, “durante la etapa inicial de rodadura, las gotas aceleran y elevan la tasa de arrastre de sedimentos. Conforme se incrementa la fuerza centrífuga, la gota pierde su forma redondeada, y la interacción entre el líquido y los granos desplazados culmina en la creación de bolas de arena”.

El estudio distingue dos morfologías principales en estas bolas de arena: la de cacahuete y la de rosquilla. Las primeras se caracterizan por formarse a velocidades menores, acumulando granos solo en la superficie de la gota y manteniendo una morfología estabilizada tras cierto umbral. Una vez alcanzado ese límite de masa, estas bolas de cacahuete pueden continuar acelerándose angularmente, aumentar más su tamaño en una nueva fase o fragmentarse y reducir su velocidad. Si logran llegar al final de la pendiente y entran en una superficie plana, se desintegran de manera instantánea, como explica el equipo científico.

En contraste, las gotas que adquieren forma de rosquilla presentan una densidad y opacidad superiores, ya que los granos de arena quedan encapsulados en el interior del anillo acuoso. Este tipo de estructura sorprendió a los propios investigadores por su aparición bajo condiciones experimentales distintas de las que solían provocar rosquillas en gotas líquidas puras; en el laboratorio, la mezcla de agua y glicerol empleada promovió la formación de estos anillos a velocidades menores que las registradas en entornos naturales.

El equipo describe este proceso: “Las rosquillas completamente desarrolladas continúan acelerando (por encima de 1 m/s), hasta un punto en el que a veces se rompen en un aparente proceso de fractura. Esta rotura ocurre cuando la fuerza de tracción impulsada por el estiramiento centrífugo de la bola de arena supera la fuerza de los enlaces capilares, produciendo bolas de arena infantiles que forjan su propio camino al rodar por la pendiente”.

El impacto erosivo de las bolas de arena resulta llamativo al comparar la magnitud del material desplazado respecto al de la salpicadura inicial del impacto de la gota contra el suelo. Los experimentos documentaron que este proceso de rodadura multiplica hasta por diez la cantidad de suelo removida, lo que obliga a reconsiderar la relevancia de este mecanismo en la erosión general de las laderas expuestas a lluvias.

Los posibles efectos de estos descubrimientos se extienden al diseño y ajuste de los modelos de erosión del suelo, herramientas esenciales para la planificación de la conservación, la gestión territorial y la evaluación ambiental. Estos modelos ayudan a prever tasas de pérdida de suelo, identificar sectores de mayor riesgo y proponer estrategias de contención en ámbitos agrícolas o rurales. Al evidenciar la importancia del arrastre posterior al impacto, la investigación sugiere la necesidad de perfeccionar estas estimaciones con datos empíricos más ajustados.

Las implicaciones no solo alcanzan a la geografía o la ingeniería ambiental. El mecanismo por el que las gotas de lluvia logran autoorganizarse y encapsular sedimentos ofrece nuevas perspectivas en el campo de las técnicas de granulación, aplicadas a la ciencia de materiales, la biotecnología, el sector farmacéutico y alimentario, así como a la física de la nieve.

Según los responsables del estudio, una de las aportaciones más notorias del modelo de bola de arena radica en su eficiencia energética: “En el proceso de bola de arena, solo necesitamos ajustar las condiciones iniciales de la gota de líquido; la mezcla de líquido y partículas hasta el estado crítico se autoorganiza, lo que sugiere un proceso de granulación de baja energía. Este proceso podría tener aplicaciones en la ciencia de los materiales, la biotecnología, las industrias farmacéutica y alimentaria, y la física de la nieve”.

El riguroso análisis de las gotas dejó constancia de que los fenómenos de arrastre y transformación dependen de variables como la pendiente del terreno, la composición de la gota y el tipo de partículas presentes. Esta autoorganización espontánea y eficiente diferencia al proceso de granulación observado en los experimentos respecto a otras técnicas industriales. La ruptura de las rosquillas, al exceder la elasticidad de los enlaces capilares y generar “bolas de arena infantiles”, abre un nuevo capítulo en el estudio de la dinámica no lineal de sistemas granulares y líquidos.

Al emplear cámaras de alta resolución y técnicas avanzadas de seguimiento, el equipo suizo logró reconstruir todas las fases del ciclo de una gota de lluvia, desde el contacto inicial hasta la descomposición final. Las mediciones sugieren que no solo la cantidad, sino la forma en que la tierra es movilizada cambia profundamente la manera de entender la erosión. Dada la frecuencia y magnitud de las lluvias en numerosas regiones del planeta, la actualización de los modelos predictivos podría significar una mejora sustancial en las políticas de gestión del suelo, la sostenibilidad ambiental y la prevención de desastres asociados a la erosión.

El descubrimiento de que las gotitas pueden reconfigurarse en estas estructuras híbridas —tan solo por la acción de gravedad, fuerzas centrífugas y acoplamiento con partículas— abre la puerta a una comprensión mucho más sofisticada de los mecanismos de erosión y su potencial traslación a procesos industriales y naturales.