Primera observación científica de un rayo globular

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(Contribución de El neutrino a la XLVIII Edición del Carnaval de la Física, organizada por La Aventura de la Ciencia)

El rayo globular es uno de los fenómenos meteorológicos más misteriosos; es tan raro, tan fugaz y tan impredecible que nunca se había podido estudiar con los medios técnicos adecuados... hasta ahora.

En 2012 (aunque no se ha publicado hasta ahora), un equipo de investigadores de la Universidad Normal del Noroeste, en Lanzhóu (China) se encontraba observando una tormenta con cámaras y espectrógrafos en la región de Qinghai, en el centro del país, cuando se les presentó, a 900 metros de distancia, un rayo globular, generado por la caída de un rayo. La esfera luminosa, de unos cinco metros de diámetro, surgió del suelo y se desplazó unos quince metros en 1,6 segundos, antes de desintegrarse. Los espectrógrafos revelaron que el rayo globular estaba formado por los mismos elementos que componen el suelo: silicio, hierro y calcio.

El descubrimiento apoya una teoría sobre el origen de los rayos globulares planteada en 2000 por el químico John Abrahamson, de la Universidad de Canterbury (Nueva Zelanda). Según esta teoría, cuando cae un rayo, el calor liberado vaporiza la sílice (óxido de silicio) presente en el suelo, y una onda de choque proyecta este vapor hacia arriba. Si también hay carbono presente, por ejemplo en hojas secas, éste roba el oxígeno al óxido de silicio, dejando una nube de vapor de silicio, que rápidamente se vuelve a oxidar con el oxígeno del aire. Es esta oxidación la que hace brillar al rayo globular.

Queda por saber si esta interpretación puede explicar toda la enorme variedad de rayos globulares que se han observado y descrito a lo largo de la historia.

Efemérides: Harald Sverdrup y el Burán

Harald Ulrik Sverdrup (Sogndal, Noruega, 15 de noviembre de 1888 – Oslo, 21 de agosto de 1957)

• Sverdrup desarrolló la primera teoría sobre la circulación de los océanos.
• Sverdrup describió la propagación de las mareas mediante ondas de Poincaré.
• El equilibrio de Sverdrup relaciona la tensión ejercida por el viento en la superficie del mar abierto con el transporte norte-sur de agua oceánica.
• El sverdrup es una unidad de medida de flujo de volumen, y equivale a un millón de metros cúbicos por segundo.

Hace 25 años, el 15 de noviembre de 1988, tuvo lugar el único vuelo del transbordador espacial soviético Burán.

El rayo globular

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(Publicado originalmente en Madrid Sindical)

El rayo globular, también llamado centella, rayo en bola o esfera luminosa, es uno de los fenómenos meteorológicos más raros y misteriosos. Debido a esa rareza y a la variedad de sus manifestaciones, hasta hace poco se consideraba un mito, al mismo nivel que los fantasmas y los platillos volantes. Hoy en día, aunque se dispone de los relatos de miles de testigos oculares y aparentemente existen algunas fotos y vídeos del fenómeno, su naturaleza sigue siendo desconocida. Algunos experimentos recientes han intentado reproducir el rayo globular en el laboratorio con un éxito relativo, puesto que no es seguro que los resultados obtenidos, aunque superficialmente similares, estén relacionados con ese fenómeno. Incluso es posible que los diversos testimonios sobre rayos globulares se refieran a varios fenómenos naturales diferentes.

Explorer 7 y Greenwich

Hoy se cumplen 50 años del lanzamiento del satélite artificial estadounidense Explorer 7, con el que se inició el estudio del clima terrestre desde el espacio.

Aunque el objetivo principal de Explorer 7 era el estudio del flujo solar, de los rayos cósmicos y de los cinturones de radiación, también llevaba a bordo un radiómetro desarrollado por el meteorólogo estadounidense Verner E. Suomi (1915–1995) que permitió tomar las primeras medidas del balance energético de la Tierra. Explorer 7 transmitió datos continuamente desde su lanzamiento, el 13 de octubre de 1959, hasta febrero de 1960, y después intermitentemente hasta el 24 de agosto de 1961. Aún sigue en órbita.

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Por otro lado, hace 125 años, el 13 de octubre de 1884, la Conferencia Internacional del Meridiano, que reunió a delegados de veinticinco países en Washington D.C., acordó el establecimiento del meridiano de Greenwich como base para la medida de longitudes. Aunque Francia, como siempre por libre, no lo adoptó hasta 1911.

Un planeta donde llueven piedras

El pasado mes de febrero, el telescopio espacial francés Corot descubrió el planeta Corot-7b, el planeta rocoso extrasolar más pequeño hasta la fecha. Corot-7b, con un diámetro de 1,7 veces el de la Tierra, y una masa cinco veces la de nuestro planeta, orbita alrededor de la estrella Corot-7, una enana naranja descubierta también por el mismo telescopio a unos 500 años-luz de la Tierra, en la constelación del Unicornio.

Corot-7b orbita a sólo dos millones y medio de kilómetros de su estrella, 23 veces más cerca que Mercurio del Sol. Da una vuelta completa alrededor de Corot-7 en sólo 20 horas.

En agosto de este año se descubrió un segundo planeta en el sistema, Corot-7c. Con los datos de ambos planetas se ha podido calcular la densidad de Corot-7b, que es la misma que la de la Tierra, así que seguramente se trata de un planeta rocoso.

Corot-7b está tan cerca de su estrella que, como nuestra Luna, le muestra siempre la misma cara. En una mitad del planeta siempre es de día. En esa mitad, la temperatura, unos 2300 ºC, es suficiente para fundir la roca. Así, su superficie debe de estar hecha de lava fundida o de océanos hirvientes. En la cara nocturna, por el contrario, la temperatura es glacial, sólo 50º por encima del cero absoluto.

Un grupo de científicos de la Universidad Washington de San Luis (EE.UU.) ha desarrollado un modelo de atmósfera para Corot-7b, mediante cálculos de equilibrio termoquímico. Aunque la composición exacta del planeta no se conoce, los cálculos muestran esencialmente los mismos resultados para las cuatro posibilidades que se han estudiado.

Según el estudio, la atmósfera de Corot-7b está formada en su mayor parte por sodio, potasio, monóxido de silicio y oxígeno, con cantidades menores de magnesio, aluminio, calcio y hierro. Todas esas sustancias, vaporizadas de la superficie iluminada del planeta, se van enfriando al elevarse, o al ser arrastradas hacia la cara oscura por los fuertes vientos provocados por la enorme diferencia de temperatura entre la cara diurna y la cara nocturna del planeta. Así, de la misma manera que en la Tierra el vapor de agua se condensa en nubes, en Corot-7b, en función de la altitud y de la temperatura, se producen nubes y lluvias de distintos minerales, como enstatita (silicato de magnesio), corindón (óxido de aluminio), espinela (óxido de magnesio y aluminio), wollastonita (silicato de calcio)...

El sodio y el potasio, que tienen puntos de ebullición más bajos, permanecen en la atmósfera, de manera que el modelo predice la existencia de nubes altas de estos gases, detectables desde la Tierra. De hecho, ya se ha detectado sodio en la atmósfera de otros dos exoplanetas, aunque aún no en Corot-7b.

El arco iris

Como ya demostró Newton, la luz blanca del Sol está formada por todo un espectro de colores. Aunque nosotros distinguimos habitualmente siete colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta), en realidad se trata de un espectro continuo, donde cada color corresponde a una longitud de onda o a una frecuencia de las ondas electromagnéticas emitidas por el Sol. Cada una de esas longitudes de onda, que viajan unidas por el espacio, tiene un comportamiento ligeramente distinto cuando se refractan, o sea, cuando, al pasar de un medio material a otro, alteran ligeramente su trayectoria. La refracción es lo que hace que, cuando introducimos un palo en el agua, lo veamos doblado; el palo sigue intacto, son los rayos de luz los que se doblan al pasar del aire al agua o viceversa.

Cuando los rayos del Sol penetran en una gota de agua de lluvia, cada color se desvía con un ángulo ligeramente diferente, que sólo depende de su longitud de onda. Después, los rayos se reflejan en la pared interna de la gota y salen al exterior ya separados. Estos rayos que salen de la gota forman un ángulo con el rayo de Sol incidente de unos 42º, un poco diferente para cada color, de manera que, cuando nos colocamos de espaldas al Sol, sólo veremos colores en los puntos que formen ese ángulo con la línea imaginaria que une el Sol con nuestra cabeza; esos puntos, pues, forman un círculo. No es que sólo las gotas de agua situadas en el arco iris emitan los colores, es que los rayos de luz que salen de las gotas situadas en otros puntos del cielo no llegan a nuestros ojos.

A veces, los rayos de luz rebotan dos veces en el interior de la gota y salen formando un ángulo mayor, de unos 50º; es el segundo arco iris que a veces se ve sobre el principal. Este arco iris es más débil que el primero porque en cada rebote de la luz en el interior de la gota se pierde energía; además, en los rebotes los colores invierten su posición, así que en el segundo arco iris los colores están invertidos con respecto al primero: el rojo abajo y el violeta arriba. Entre los dos arco iris, el cielo es más oscuro; es la zona oscura de Alejandro. La luz que falta en esa zona es la que se concentra para formar los dos arco iris que vemos nosotros, y los que ven otros observadores situados en otros puntos.

También los rayos del Sol que no sufren ninguna reflexión en el interior de las gotas, y los que se reflejan más de dos veces, producen arco iris, aunque son mucho más débiles y difíciles de ver. Los correspondientes a 0, 3 y 4 reflexiones se sitúan además cerca del Sol, lo que dificulta aún más su observación.

A veces, cuando el arco iris es muy intenso, pueden verse colores adicionales repetidos más allá del violeta; son los arcos supernumerarios, que se producen por fenómenos de interferencia de la luz dentro de las gotas de agua.

¿Por qué el cielo es azul?

(Publicado originalmente en Madrid Sindical)

Aunque algún poeta pueda pensar lo contrario, el cielo no está pintado. En la Luna o en el espacio, donde no hay aire, ningún obstáculo impide a la luz ir en línea recta. Allí, el cielo es negro y el Sol se ve blanco. En la Tierra, sin embargo, la luz del Sol debe atravesar la atmósfera, que es como unas gafas sucias entre nuestros ojos y el Sol. En la atmósfera, en esas gafas sucias, la luz del Sol interacciona con las moléculas de los gases que la forman (con la suciedad). Esta interacción, conocida como dispersión de Rayleigh, consiste en la absorción de la luz del Sol por parte de los átomos del aire y su posterior reemisión en todas direcciones.

La dispersión de Rayleigh depende de la longitud de onda de la luz: Afecta mucho más a las longitudes de onda cortas (violeta y azul), y menos a las largas (amarillo y rojo). Al atravesar la atmósfera, estos últimos colores llegan hasta la superficie prácticamente inalterados; por eso el Sol se ve amarillo. Por contra, los rayos violetas y azules son dispersados, de manera que, zigzagueando de molécula en molécula, cuando llegan a la superficie proceden aparentemente de todos los puntos del firmamento. Sin embargo, el cielo no se ve violeta, que es el color con menor longitud de onda, y por tanto el más dispersado. Esto es debido a la combinación de tres factores: en primer lugar, cuanto más dispersado es un color, mayor proporción de él se pierde hacia el espacio, puesto que la dispersión se produce en todas direcciones; además, la intensidad de los diferentes colores en la luz solar no es uniforme, es máxima en el color azul y disminuye rápidamente hacia el violeta; por último, y más importante, nuestros ojos son más sensibles al azul que al violeta.

Pero no siempre el cielo es azul. Al amanecer y al atardecer, los rayos solares, tangentes a la superficie de la Tierra, atraviesan un espesor mayor de atmósfera, de manera que la dispersión afecta en mayor grado a todos los colores, incluidos los amarillos y rojos, de ahí los coloridos rosas, rojizos o anaranjados de los cielos crepusculares y el rojo intenso del propio Sol.

De noche, sin embargo, pese a la luz de la Luna y de las estrellas, el cielo es negro. La poca intensidad de la luz, incluso con luna llena, hace que la dispersión de Rayleigh sea totalmente imperceptible.

Cuando en el aire están presentes partículas en suspensión más grandes que sus propias moléculas, como las gotas de agua de una nube, la dispersión que se produce, llamada dispersión de Mie, no depende de la longitud de onda; las partículas actúan como minúsculos espejos que reflejan parte de la luz y absorben la otra parte. Las gotas de las nubes reflejan por igual todos los colores; por eso las nubes son blancas. Cuando las nubes son muy gruesas o densas, gran parte de la luz que las atraviesa es absorbida, lo que provoca su coloración gris o negra.

En Marte son también las partículas en suspensión las que dan su color rojo al cielo; en este caso, son partículas coloreadas que reflejan en mayor medida la luz de ese color. ¿Cómo será el cielo en otros planetas? ¿Habrá planetas con el cielo verde?

Los sudores de Plutón y otras frigideces

Un equipo de astrónomos franceses, analizando las recientes observaciones de Plutón en el infrarrojo realizadas por el Gran Telescopio (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO) en Chile, ha podido determinar la temperatura de las capas inferiores de la atmósfera del planeta enano: 180 grados bajo cero, 40 grados más que los 220 bajo cero de la superficie.

Anteriores observaciones de ocultaciones estelares ya habían determinado que la temperatura de las capas altas de la atmósfera de Plutón era de unos 170 grados bajo cero, de lo que resulta que, al contrario que en la Tierra, donde la temperatura de la atmósfera disminuye con la altitud (6 grados por kilómetro), la temperatura de la atmósfera de Plutón aumenta entre 3 y 15 grados por kilómetro de altitud.

Resulta que cuando Plutón se acerca al Sol, como sucede en la actualidad (de hecho, desde hace unos años Plutón está más cerca del Sol que Neptuno, debido a la elevada excentricidad de su órbita), el calor del Sol evapora el hielo de su superficie, que se transforma en gas. Este fénomeno provoca el enfriamiento de la superficie, del mismo modo que cuando transpiramos la temperatura de nuestro cuerpo baja.

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Sin ir tan lejos, un equipo de investigadores japoneses ha analizado muestras de hielo extraídas a 50 metros de profundidad en la Antártida y ha descubierto altas concentraciones de nitrato depositadas alrededor de los años 1006, 1054 y 1060. El nitrato se produce en la atmósfera a partir de los óxidos de nitrógeno, que pueden ser generados por la radiación gamma procedente de una supernova. De hecho, los dos primeros años coinciden con dos supernovas conocidas; la primera, la del 1 de mayo de 1006, fue la más brillante de la que se tiene noticia; la segunda, la del 4 de julio de 1054, fue el origen de la Nebulosa del Cangrejo. Pero no hay noticias de ninguna supernova en 1060.

Los investigadores sugieren que se trata de una supernova que pasó desapercibida en su momento, bien por ser visible sólamente en el hemisferio sur, o bien por encontrarse oculta por una nube de polvo interestelar. Así, el estudio del hielo antártico podría servir para determinar con precisión la frecuencia con la que ocurren las explosiones de supernovas en nuestra galaxia desde hace miles de años.