martes, 29 de julio de 2008

Velocidad de escape y agujeros negros

La velocidad de escape es la velocidad mínima que tiene que adquirir un objeto para escapar de la atracción gravitatoria de un planeta o cualquier otro astro. Se puede calcular fácilmente a partir de la conservación de la energía cinética y potencial.
Imaginemos el caso de un objeto que quiere salir de la Tierra disparado desde su superficie mediante un cañón muy potente. A la salida del cañón el objeto tendrá una velocidad y por tanto energía cinética. Energía que obliga al objeto a alejarse de la Tierra. Pero hay que tener en cuenta la energía gravitatoria que obliga al objeto a caer hacia la Tierra. Tenemos pues dos tipos de energía, la cinética y la gravitatoria. La cinética que tiende a impulsar el objeto hacia el infinito y la gravitatoria que tiende a hacerlo caer al suelo.

En la situación de equilibrio de estas dos energías obtendremos la velocidad mínima a partir de la cual el objeto saldrá de la influencia gravitatoria Terrestre y se alejara hacia el espacio exterior.



Donde G es la constante de gravitación universal de valor 6,67x10^11 Nm^2kg^-2. Observemos que la velocidad de escape es independiente de la masa del objeto, de manera que cada planeta, satélite o estrella tendrá un velocidad de escape característica. Cuidado pero, para acelerar el objeto hasta conseguir la velocidad de escape habrá que aplicar una fuerza y esta si depende de la masa del objeto.

La Tierra tiene una masa de 5,97x10^24 kg y un radio de 6,38x10^6 m, de manera que la velocidad de escape para la Tierra es de



que es igual a 40221 km/h.

Para la Luna la velocidad de escape será




que son unos 8550 km/h.
Para el Sol


Que son unos 890 km/s o 3.204.000 km/h. Esto significa que para lanzar una nave espacial fuera del Sistema Solar tiene que alcanzar esta velocidad. Por supuesto no la consigue inmediatamente, sino acelerando poco a poco a lo largo de mucho tiempo.

Aparte de las naves espaciales hay otros objetos sujetos al equilibrio energético entre la energía cinética y la gravitatoria, son las moléculas de los gases que forman las atmósferas planetarias.

Las moléculas adquieren velocidad a partir de la temperatura T, a mayor temperatura mayor velocidad. En el fondo la temperatura es una medida de la velocidad media de las moléculas o átomos. No confundir la temperatura con la medida de energía de un cuerpo, es decir, la temperatura no es el calor. La energía asociada a una molécula diatómica (formada por dos átomos del mismo elemento) se mide a partir de la siguiente fórmula

Donde k es la constante de Boltzman y de valor 1,3807x10^-23 J/K (Julios partido Kelvin). ¿Qué velocidad alcanzara una molécula para una determinada temperatura?. La respuesta la obtendremos volviendo a plantear el equilibrio energético, esta vez entre la energía asociada a la temperatura y la energía cinética.


Hay que vigilar con la masa de la molécula, por definición es el peso molecular expresado en gramos pero contenido en un mol de substancia. Y en un mol tenemos 6,0225x10^23 moléculas (es el número de Avogadro), de manera que para calcular la velocidad media de una molécula tenemos que dividir por el número de Avogadro.

Por ejemplo, calculamos la velocidad térmica de una molécula de oxigeno en la atmósfera terrestre. Suponemos una temperatura global de 20ºC, cero grados centígrados son 273,16 Kelvin, aproximamos a 273, de manera que 20ºC son 293 K. Una molécula de oxigeno está formada por dos átomos de oxigeno y cada uno tiene un peso atómico de 16 g, la molécula diatómica será el doble, es decir, 32 g, teniendo esto en cuenta el cálculo será



Para el hidrógeno obtenemos una velocidad de


Observamos que la velocidad media es mucho menor que la velocidad de escape y podríamos suponer que ningún gas de la atmósfera terrestre puede escapar de la atracción gravitatoria. Pero esto no es cierto, la velocidad calculada anteriormente es una velocidad media, esto significa que habrá moléculas con velocidad menor y otras con velocidad mayor. Algunas de las moléculas que se encuentren en las capas superiores de la atmósfera alcanzaran velocidades superiores a la de escape y abandonaran la atmósfera. Mayormente las moléculas ligeras como el hidrógeno y el helio. Por esto en nuestra atmósfera estos gases son escasos.
En la Luna la velocidad de escape es mucho menor y la temperatura media es de unos 373 K de día, dando lugar a una velocidad térmica media para el oxigeno de 540 m/s. La consecuencia es la pérdida casi total de la atmósfera a lo largo del tiempo.

Para finalizar, ¿Que sucedería si la velocidad de escape de un astro fuera la velocidad de la luz?. La respuesta es que este astro se convertiría en un agujero negro. La fuerza de la gravedad es tan intensa que ni la luz puede escapar, si no puede salir luz, no podemos verlo y nos aparece completamente negro. Además según la teoría de la relatividad la velocidad de la luz es la velocidad máxima que puede existir, de manera que nada puede salir de un agujero negro.

Hay matices sobre este asunto, pero no vamos a complicarlo ahora. Hago un estudio clásico pero concuerda con el estudio relativista. ¿Qué relación habrá entre la masa y el radio de un agujero negro?, el cálculo es el balance energético entre la energía cinética y la gravitatoria, pero ahora colocando la velocidad de la luz.


Este radio se conoce como el radio de Schwarzschild, introduciendo los valores numéricos de G y c obtenemos la relación entre el radio en metros y la masa de un agujero negro en kilogramos.

Para la masa del Sol obtenemos un valor de 2960 m, es decir, si pudiésemos comprimir el Sol hasta un radio de 2,96 km se convertiría en un agujero negro. Para la Tierra el radio de Schwarzschild es de 0,00886 m o 8,86 milímetros. Esto significa que si toda la masa de la Tierra se comprimiese hasta estas dimensiones se convertiría en un agujero negro.

Muy brevemente: la vida de las estrellas se debe al balance energético entre la energía gravitatoria que tiende a colapsar la estrella hacia su centro y la energía de radiación que tiende a expandirla hacia fuera. Cuando se agota el combustible de fusión termonuclear desaparece la energía de radiación y solo queda la energía gravitatoria que hace implosionar (explotar hacia dentro) a la estrella. Si la masa de la estrella es muy grande no existe ninguna fuerza capaz de frenar esta implosión y se convierte en un agujero negro.
Nuestro Sol, por suerte, no es muy grande y no se convertirá en un agujero negro.

lunes, 21 de julio de 2008

Concentración de dióxido de carbono en ppm

Como decía en el post anterior voy a explicar en qué consiste la medida de concentración de una substancia en ppm, es decir en partes por millón. Utilizare el ejemplo del dióxido de carbono en la atmosfera terrestre.

¿Qué significa ppm? Rápidamente, es una medida de la proporción relativa de una sustancia respecto a otras. En el caso de gases se utiliza el ppmv y significa la proporción relativa de una sustancia respecto a otras dentro de un volumen determinado. Muchas veces se acostumbra a no diferenciar entre ppm y ppmv. En el caso del dióxido de carbono, que es un gas en la atmosfera terrestre, se utiliza la nomenclatura ppm aunque en realidad ppm son ppmv, es decir, partes por millón en volumen. Se acostumbra a omitir el término “en volumen” por simplicidad, pero no hay que olvidarse de que existe.

La concentración es una medida de la cantidad relativa de una sustancia respecto de otras. En el caso de la concentración de gases en la atmosfera se utiliza la magnitud de microkilogramos de aire por metro cúbico. El significado de ppmv es entonces 0,000001 kilogramos de aire por metro cúbico, que es lo mismo que 0,001 gramos de aire por metro cúbico, que es lo mismo que 0,000001x0,001 Toneladas de aire por metro cúbico.



Esto significa que 380 ppm (simplifico ya ppmv a ppm) significan 380x0,000001x0,001 toneladas de aire por metro cubico. Pero si queremos saber la cantidad de Toneladas de dióxido de carbono hay que saber la relación entre el peso molecular del dióxido de carbono respecto el del aire. Calculemos entonces los pesos moleculares de cada molécula.

Peso molecular del dióxido de carbono: la molécula está compuesta por un átomo de carbono y dos de oxigeno. El peso atómico del carbono es 12 y el peso atómico del oxigeno es 16, tenemos pues que el peso atómico del CO2 = 2x16+12 =44.

Peso molecular del aire: Se considera que el aire está formado en un 79% de nitrógeno, 21% de oxigeno y 1% de gases raros. Hay que tener en cuenta que se trata de nitrógeno y oxigeno molecular, es decir, formado por dos átomos de nitrógeno y dos átomos de oxigeno. El peso molecular del aire será pues el resultado de la siguiente operación, 0,79x2x14+0,21x2x16 = 28,84. Se acostumbra a escoger un valor aproximado de 29 para el peso molecular del aire seco.
La relación entre los pesos moleculares del dióxido de carbono y del aire es pues 44/29. La cantidad de CO2 actual en la atmosfera es de 380 ppm, transformemos esta cantidad en toneladas por metro cubico de aire, se calcula de la siguiente manera
380 ppm significan entonces 0,000000057 Toneladas de dióxido de carbono por metro cubico de aire. Para conocer las toneladas totales en toda la atmosfera tendremos que multiplicar por el volumen de la atmosfera terrestre. Suponiendo la Tierra como una esfera perfecta de radio 6378 km y considerando que la zona donde la atmosfera es densa tiene una altura de 10 km, el volumen será





La cantidad total de toneladas de dióxido de carbono es pues




Resulta que tenemos actualmente unas 2850 Gigatoneladas de dióxido de carbono en la atmosfera. Hay que tener en cuenta que el CO2 no es un gas tóxico, nuestro aliento tiene una concentración de CO2 de 50.000 ppm. En el proceso de respiración devolvemos a la atmosfera 2,5 billones de kilogramos de CO2. Se calcula que se han lanzado a la atmosfera 60 millones de toneladas de CO2 procedente de la quema de combustibles fósiles, esto significa un 2,1% del total de CO2 en la atmosfera.






Otra manera de visualizar el concepto de ppm es a partir de los dibujos en 3D que les pongo.
Esta primera imagen corresponde a 1 ppm, tenemos un cubo de color amarillo en el extremo inferior izquierda (casi no se ve) que corresponde a una parte en un millón del total de cubos amarillos que caben dentro del cubo grande gris.










Esta segunda imagen de la derecha corresponde a 350 ppm. El cubo amarillo esta formado por 350 cubos amarillos de la imagen anterior.








Esta tercera imagen corresponde a una concentración de 5000 ppm. Fijense que el aumento en volumen no es lineal. Un aumento del doble de la concentración en ppm no significa que el cubo amarillo aumente el doble.







Hace 20000 años, durante la última glaciación la concentración de CO2 era de 200 ppm que subió a 280 ppm hace 11000 años durante la última desglaciación. Actualmente tenemos una concentración de 380 ppm. Pero hay que tener en cuenta que es de las veces que la concentración de CO2 es más baja (ver "Temperatura i CO2”). En la época de los dinosaurios estaba a 1800 ppm y en el cámbrico a 7000 ppm.

Se ha determinado experimentalmente que la concentración óptima para el crecimiento de las plantas es de 895 mg/m^3, (biocab) ¿A que concentración en ppm corresponde? Muy sencillo, puesto que la concentración en ppm ya esta indicada en mg/m^3, solamente tenemos que hacer la multiplicación de la relación entre pesos moleculares, 895x29/44 = 590 ppm.

Obtenemos que para que las plantas del planeta crezcan abundantemente es necesaria una concentración de 590 ppm. Es decir, 1,5 veces la concentración actual. Por eso en algunos invernaderos se inyecta CO2 para mejorar el crecimiento de las plantas. Algunos incluso creen que el descubrimiento de la agricultura se debio al aumento del CO2 hace 11000 años, ya que con la última glaciación la concentración de 200 ppm era muy pobre. De esta manera se explica que este descubrimiento se produjera en distintas civilizaciones casi al mismo tiempo.

sábado, 12 de julio de 2008

Agua en la Luna


Cristales volcánicos procedentes de la Luna. Créditos: NASA

Curiosamente los últimos posts que he realizado eran sobre la formación del sistema Tierra-Luna y el encuentro de agua en Marte. Ahora se ha encontrado agua en la Luna examinando las muestras traídas pos las misiones Apolo. Esto demuestra una vez más que si se fue a la Luna y que hay que volver. Las nuevas investigaciones proponen nuevos experimentos que solamente se pueden realizar directamente en la Luna.

Un equipo de investigadores encabezado por el geoquímico Alberto Saal de la Universidad de Brown ha descubierto la primera evidencia de agua en la Luna. Han analizado los cristales volcánicos traídos a la Tierra desde la Luna por diferentes misiones Apolo. Los cristales traídos por el Apolo15 son de color verde y los procedentes del Apolo 11 y 17 son de color naranja. Su origen se cree que es volcánico y la composición de los cristales verdes es rica en magnesio y los de color verde en titanio. Se conocen unas 25 variedades de cristales volcánicos lunares en las zonas de alunizaje.
En la siguiente imagen pueden observar el color naranja del suelo lunar excavado por los astronautas del Apolo17. El color es debido a numerosos cristales esféricos de un diámetro entre 0,1-0,4 mm con un alto contenido en titanio. Encontraran más imagenes y explicaciones en la siguiente página web:http://www.hq.nasa.gov/alsj/a17/a17.summary.html



La mayoría de los cristales lunares se forman por la fusión de las rocas lunares durante el impacto de meteoritos y por tanto estos cristales tienen que tener una composición que los identifique, el elemento diferenciante es el níquel procedente de los meteoritos. En los cristales verdes y naranja no hay níquel y su edad es similar a la de las rocas basálticas de su entorno. Entonces estos pequeños cristales de un tamaño entre 0,1 – 0,4 mm se cree son producto de los mecanismo de erupción volcánica en la superficie lunar.
La teoría de la gran colisión que explica la formación de la Luna sugiere que la mayoría de los elementos más ligeros fueron volatilizados fuera del sistema Tierra-Luna. El hidrógeno es el elemento más ligero y por tanto el más volátil. De esta manera la cantidad de hidrógeno esperada encontrar en la Luna es más bien nula y por tanto no se espera que haya agua. Recordemos que la composición molecular del agua es un átomo de oxigeno y dos de hidrógeno, ver “Espectro Electromagnético”. A partir de los experimentos de los programas lunares se demostró que la Luna no contiene tantos elementos altamente volátiles como la Tierra. En particular se creía que el hidrógeno se perdió completamente en la gran colisión que formo la Luna.

El estudio realizado consiste en determinar la cantidad de compuestos volátiles que existen en los cristales volcánicos, básicamente dióxido de carbono, agua, Flúor, Azufre y Cloro. De esta manera se puede determinar la composición del manto lunar, ya que estos cristales volcánicos son los basaltos más primitivos de la Luna surgidos del interior lunar con la lava. Hay que ir con mucho cuidado puesto que estos cristales han estado en la superficie durante miles de millones de años y la contaminación procedente de fuentes exteriores puede ser importante. Como impactos de meteoritos, viento Solar que puede añadir (implantar) iones en el suelo lunar o arrastrar la alta atmósfera de la Tierra generando un viento terrestre o los rayos cósmicos.

Los últimos avances en espectrometría de masa de iones secundarios, SIMS (Secondary Ion Mass Espectrometry) que consiste en lanzar un haz de iones (primario) sobre una superficie sólida y estudiar los iones que salen (secundarios). De esta manera se puede conocer la composición molecular de la sustancia. Los instrumentos utilizados los pueden encontrar en la siguiente página web: http://www.cameca.fr/html/geo_products.html

Pues bien, los anteriores análisis daban indicios de elementos volátiles pero sin agua. Los resultados actuales con las nuevas técnicas más precisas dan una evidencia positiva a la presencia de agua en los cristales volcánicos lunares y por tanto una prueba de la existencia de agua en el interior lunar. La concentración de agua encontrada oscila entre 4-46 ppm (partes por millón), la de flúor entre 4-40 ppm, azufre entre 115-576 ppm y cloro 0,06-2 ppm.

La concentración de hidrógeno hallada es debida al agua propia del cristal y no resultado de una implantación del viento solar o contaminación en el laboratorio terrestre. Esta afirmación se basa en la variación de la concentración de los compuestos volátiles del cristal. Esta concentración decrece de dentro afuera del cristal, es decir la concentración en el interior es mayor que en la superficie. Especialmente para el agua donde la concentración en el centro es de aproximadamente 30 ppm y va decreciendo hasta 14 ppm en el borde superficial. El mismo comportamiento se encuentra para el Flúor (F), el Cloro (Cl) y el Azufre (S). Esta observación favorece la hipótesis que el agua y los otros compuestos volátiles fueron creados en la luna hace miles de millones de años y seguramente se perdió una gran cantidad en el proceso de la erupción volcánica. Hay que tener en cuenta que la gravedad lunar es seis veces menor que en la Tierra y la velocidad de escape es de 2,38 km/s, esta es la causa que la Luna no tenga atmósfera.

La gráfica de la derecha, muestra la variación de la concentración de agua y cloro dentro de un cristal verde de un tamaño de 130 micrometros. La contaminación procedente del viento solar no puede penetrar más allá de 0,1 micrometros, aunque el hidrógeno se pudiera difundir hasta el interior después de implantarse.

Precisamente la perdida natural por difusión se considera despreciable durante el periodo de 3500 millones de años, ya que la temperatura a en la parte donde toca el sol oscila entre -20 y 0 ºC. Según los modelos aplicados se sugiere que el perfil de concentraciones no ha variado aunque si la concentración. Por el efecto de la erupción volcánica antes comentada y algo habrá perdido durante los 30 millones de años que ha permanecido en la superficie lunar hasta que fue recogida por el Apolo. Según todo esto, la concentración inicial de agua oscila entre 750-260 ppm.
Bien, pero de donde procede el agua?. En la Tierra, la relación entre deuterio y hidrógeno en el agua sugiere que el agua terrestre procede de los meteoritos que cayeron en la Tierra después del cataclismo que formo la Luna. Sucedió lo mismo en la Luna?, para encontrar la respuesta habrá que estudiar la concentración de deuterio respecto el hidrógeno en el agua lunar.

Podría ser que el sistema Tierra-Luna retuviera cantidades de agua de la primitiva Tierra después del impacto o bien que los elementos volátiles se difundieran durante un tiempo entre la Tierra y la Luna justo después del gran impacto pero antes que 4300 millones de años. No se puede establecer cuál fue el mecanismo pero queda claro que a partir de ahora cualquier hipótesis sobre la formación del sistema Tierra-Luna tiene que explicar la presencia de elementos volátiles y agua.

El resultado hallado por el equipo de Saal no invalida la hipótesis de la gran colisión, todo lo contrario, pues encuentra agua en la Luna al igual que en la Tierra, más a favor del gran impacto. Se presupone que toda el agua terrestre es extraterrestre, es decir, proviene del impacto de los meteoritos después de la gran colisión. Es el agua lunar también procedente de los meteoritos?, o quedaba algo del agua original terrestre?. Quedan muchos experimentos por realizar aun.
Si ha tenido la paciencia de leer hasta el final y quizá no ha entendido muy bien que significa el ppm y la velocidad de escape, no se preocupe, intentare explicarlo en el siguiente post.

sábado, 5 de julio de 2008

Experimentos en marcha

Existen actualmente varios experimentos en marcha, los dos más importantes para mi punto de vista son el ITER y el LHC. ¿Qué significan?

ITER son las siglas de International Thermonuclerar Experimental Reactor, esto significa Reactor Experimental Termonuclear Internacional, con la participación de Estados Unidos, Unión Europea, Federación Rusa, Japón, China, India y Corea del Sur. Básicamente consiste en crear una estrella en la Tierra. Se trata de un proyecto internacional para desarrollar una tecnología capaz de producir y mantener energía de fusión nuclear controlada, que es la energía termonuclear que se produce en la interior de las estrellas. Desgraciadamente es un proyecto muy costoso y de enorme complejidad. En principio estaba previsto su inicio en el 2016 en Cadarache, situado al sur de Francia, pero un encarecimiento de un 30% en su presupuesto del orden de 1500 millones de euros sobre el presupuesto inicial, ha retrasado su inicio hasta 2019.

La idea consiste en construir un reactor de fusión termonuclear controlado. Para hacerse una idea rápida, las centrales nucleares actualmente son de fisión nuclear, esto significa que producen energía rompiendo el átomo, de aquí la palabra fisión. Los átomos que al romperse producen energía son los radioactivos y cuanto mayor es su núcleo más energía obtenemos. Por esto se utiliza el uranio y el plutonio, que son átomos con una gran cantidad de protones y neutrones.

En cambio la fusión nuclear consiste en unir átomos muy ligeros, como el hidrogeno. Como he dicho, es la fuente de energía del Sol y las estrellas y se pretende utilizarlo para producir energía eléctrica de una manera segura y estable.

Los experimentos en fusión nuclear llevan ya más de 15 años y en el año 2001 se decidió unir esfuerzos en la construcción de un reactor de 20.000 toneladas al que se denominó ITER. Con un presupuesto inicial de 10.000 millones de euros, la mitad para su construcción. Las revisiones en los sistemas magnéticos y térmicos han incrementado el coste entre 1200 y 1600 millones de euros.

La web oficial del ITER es http://www.iter.org/

El otro experimento, el LHC (Large Hadron Collider) o Gran Colisionador de Hadrones, situado en el CERN, cerca de Ginebra (Suiza). Los hadrones son las partículas formadas por quarks y forman el núcleo atómico. Son los protones y los neutrones y el LHC es capaz de acelerar los protones hasta el 99.999999% de la velocidad de la luz. Se espera que entre en funcionamiento la segunda semana de agosto de este año, parece que ya se ha dado el visto bueno para su entrada en funcionamiento inmediato.

Es un proyecto financiado y construido gracias a la colaboración de más de doscientos físicos provenientes de treinta y cuatro países. Funciona a 271 grados centígrados bajo cero (necesario para el funcionamiento de las bobinas superconductoras) y las partículas se hacen girar en una circunferencia de 27 kilómetros de radio situado entre 50 y 175 metros bajo tierra. Su presupuesto inicial era de 1700 millones de euros para la construcción y 140 millones de euros para los experimentos. Han surgido numerosos problemas con las bobinas magnéticas superconductoras que han incrementado los costes en 120 millones €.

Algunos comentaristas han sugerido la posibilidad que en la colisión entre protones se cree un agujero negro microscópico estable y acabe devorando la Tierra. Otros potenciales peligros son la creación de burbujas de vacío, monopolos magnéticos y creación de materia exótica.

El CERN ha realizado estudios para supervisar la seguridad del experimento y asegura que si se producen agujeros negros microscópicos estos se evaporaran mediante la emisión de radiación de Hawking. Dicho de otra manera, de un agujero negro no puede salir nada, excepto la radiación de Hawking. Que se fundamenta en la estructura del vacío formada por parejas de partículas virtuales. Cuando una pareja de partículas virtuales se encuentra cerca de un agujero negro, una de ellas puede ser capturada por el agujero negro, entonces la otra queda libre y aparece como una radiación surgida del propio agujero negro. Parece increíble, pero lo que se ve observa es lo que cuenta y actúa como una radiación cualquiera, es decir, si observamos que del agujero negro se emite radiación, entonces el agujero negro pierde esta energía de radiación y se vuelve más pequeño hasta desaparecer. Esto siempre que sea un agujero negro microscópico claro.

Desde el CERN se dice que los propios rayos cósmicos, con energías superiores a las que producirá el LHC, al chocar con la atmosfera también tendrían que crear mini agujeros negros, y no se ha observado este fenómeno.

Tenemos que esperar un poco a ver qué pasa. Mis medidas de seguridad aplicadas han sido planificar las vacaciones para antes del experimento, por si acaso.

Encontraran información en los siguientes enlaces