ENERGÍA EN EL UNIVERSO

Transcripción

1 3 LA ENERGÍA EN EL UNIVERSO 3. LA ENERGIA EN EL UNIVERSO LECTURA: EL SISTEMA SOLAR

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3 3. LA ENERGIA EN EL UNIVERSO El cosmos contiene energía bajo diversas formas: gravitacional (o de atracción entre todas las masas astros- que lo componen), cinética (la asociada al movimiento de todos los astros, y del conjunto de estos, como es el caso de los sistemas solares y las galaxias), eléctrica (energía química inherente a las sustancias combustibles, importantes en la tierra, pero de poca entidad en el conjunto total), energía electromagnética (irradiada por las estrellas, en todas sus formas) y energía nuclear (la más importante, asociada a la formación de la propia materia) Figura 3.1. Cosmos Estas formas de energía pueden clasificarse según órdenes de mérito, siendo la energía superior la de menor entropía (menor desorden). De acuerdo con esto, la clasificación queda por este orden: energía gravitacional, energía de movimiento, energía nuclear, energía electromagnética y energía eléctrica (química).la energía de una forma superior puede degradarse a otra inferior, pero no al revés. (Sólo la vida puede hacer el efecto contrario, a nivel local, siempre a expensas de un aumento global de la entropía) En el Universo, el flujo de energía se establece a partir de las reacciones termonucleares en las estrellas y de la contracción de las masas, convirtiéndose la energía gravitatoria en energía cinética de partículas y energía electromagnética (incluyendo luz visible, rayos cósmicos, etc.) (La gravitación no lleva consigo entropía: y esta es la razón por la que una central hidroeléctrica pueda tener rendimientos próximos al 100%, superior al de cualquier otra central, al haber una mínima transformación a energía calorífica. El flujo de agua desde una presa hasta el centro de la Tierra es una contracción gravitacional controlada, a una escala muy moderada en comparación con lo que ocurre en el Universo) Cómo es posible que la energía gravitatoria del Universo sea aún predominante tras millones de años de evolución cósmica?, Por qué no se ha producido un colapso gravitacional? Ello ocurre por la existencia de una seria de retardos en este proceso natural. 73

4 El primero, el enorme tamaño del Universo, su baja densidad. Si t es el tiempo en que dos masas tardan en juntarse (y desaparecer la energía gravitacional mutua), el tiempo T para el colapso final puede ser muy grande. En efecto, si la densidad fuera 1 átomo por m 3, el tiempo de caída libre T sería de 100 millones de años para nuestra galaxia, que tiene una densidad un millón de veces superior a la del Universo localmente visible con los más potentes instrumentos. (Un choque entre astros de una galaxia originaría un colapso gravitacional local. Sin embargo, la distancia entre los astros de una galaxia es tan grande que un colapso de este tipo es poco probable) El segundo retardo es el debido al giro de los astros y de las galaxias, a su gran energía cinética. Este giro preserva a las estrellas de caer hacia el centro de su galaxia, y a la Tierra de caer hacia el Sol. (Sin el giro no se hubiesen podido formar los sistemas planetarios, cuando el Sol se condensa a partir del gas interestelar) (En todo caso, encuentros ocasionales, y la lenta pérdida de energía cinética de todos los sistemas solares hacen inevitable la caída de los planetas hacia el Sol y de las estrellas hacia el centro de la galaxia) El tercer retardo es el termonuclear, consecuencia de la combustión del H 2 para formar Helio (al calentarlo y comprimirlo el H 2 forma Helio y libera gran cantidad de energía que impide la compresión del Sol, el colapso sobre sí mismo. Por consiguiente, ninguna estrella que contenga hidrógeno puede llegar a su colapso hasta que no se haya quemado una cierta cantidad de H 2 ) El cuarto retardo lo constituye el hecho de que el Sol sólo contiene H 2 ordinario, con sólo rastros de Deuterio y Tritio, (al contrario que en una bomba termonuclear). (La reacción H 2 - H 2 es veces más lenta que la del Deuterio y Tritio) Otro retardo lo constituye el lento transporte de energía (por conducción) desde el interior caliente de la Tierra o el Sol, hasta su superficie (de manera que los núcleos calientes tardan muchos más años en enfriarse) (El núcleo caliente se deriva de la condensación gravitatoria original, determinada por la incomprensibilidad mecánica del material de los planetas, que por su tamaño no alcanzan la fase de desencadenamiento de reacciones termonucleares que formarían una estrella) Como no hay retardo que dure eternamente, en el Universo se suceden continuas transformaciones, rápidas y violentas, cuya naturaleza aún se ignora. Los rayos cósmicos son unas partículas extraordinariamente energéticas, cuya procedencia no se ha explicado totalmente, pero que sí conforman un canal importante de transferencia de energía en el interior del Universo (portan tanta energía como la luz de las estrellas). Se supone que su origen está asociado a la aparición de supernovas (estrellas en explosión que quemaron todo su hidrógeno y entraron en la fase de colapso gravitatorio. Puede ocurrir una auténtica detonación termonuclear, en la que el núcleo de la estrella estalle instantáneamente. Otra posibilidad es que se incremente 74

5 la velocidad de giro a medida que la estrella colapse y la inestabilidad hidrodinámica la haga saltar en pedazos) Las radiogalaxias (nubes de electrones enormemente energéticos que emergen de las galaxias), las fuentes de Rayos X, los quasars y pulsars, etc., son otras manifestaciones energéticas del Universo. Figura 3.2. La Vía Lactea 75

6 LECTURA: EL SISTEMA SOLAR Para tener una idea más exacta de lo que significa la energía solar para la Tierra, es conveniente conocer un poco mejor nuestro sistema solar, y en particular nuestro Sol y nuestras relaciones con él. (Figura 3.3) Figura 3.3 Sistema solar Desde un punto de vista dimensional, de tamaños, el Sol tiene un diámetro de 1,4 millones de Km, siendo el diámetro de la Tierra km y el de la Luna km. La distancia entre la Tierra y el Sol es de 150 millones de km, y entre la Tierra y la Luna, km. NOTA: Si a la Luna le asignamos un tamaño de una canica de 2 cm de diámetro, la Tierra sería una pelota de tenis de 6,5 cm de diámetro y el Sol un globo de 700 cm (7 metros) de diámetro. La distancia de la canica a la pelota de tenis sería de 200 cm (2metros) y de la pelota de tenis al globo de cm (765 metros) Un futbolista situado en una portería tendría la pelota de tenis a sus pies, la canica a dos pasos y el globo a una distancia de 8 campos de juego. (Figura 3.4) Figura

7 El Sol (cuyo diámetro es de 109 veces mayor que el de la Tierra), tiene una masa de x (2.200 cuatrillones) de toneladas ( veces más que la Tierra) y 745 veces la masa de todos los planetas de su sistema. Sin embargo su densidad es de 0,25 la de la Tierra o 0,41 la del agua. El Sol (y todo su sistema) gira alrededor del centro de la galaxia, que a su vez también se desplaza por el firmamento. Todo ello hace que el Sol se mueva a una velocidad superior a los 60Km/ segundo. El Sol es una cuasiesfera compuesta por un gas caliente y condensado, al que se denomina plasma (las partículas que componen su núcleo no están estructuradas en átomos y moléculas, como ocurre en su periferia o en la Tierra) ZONA DE RADIACIÓN NÚCLEO ZONA DE CONVECCIÓN FOTOSFERA CORONA SOLAR NÚCLEO CROMOSFERA ZONA DE RADIACIÓN FOTOSFERA AGUJERO DE LA CORONA ZONA DE CONVECCIÓN Figura 3.5 Composición del Sol En la superficie del Sol la temperatura media es de unos 6.000ºK.; sin embargo la temperatura en las zonas centrales varía de 8 a 40 millones de grados y la presión alcanza casi un millón de atmósferas, frente a una densidad entre 80 y 100 veces la del agua. El Sol es un enorme reactor de fusión donde los gases permanecen contenidos en una esfera por las fuerzas gravitatorias. La fotosfera o capa superior que envuelve a la zona convectiva es opaca, bien definida, con una densidad muy reducida y de poco espesor (alrededor de 300Km). Su temperatura no es más que de algunos miles de grados (4.000ºK) y la presión es del orden de una centésima de atmósfera. Los gases que la componen están fuertemente ionizados y absorben y emiten un espectro continuo de radiación. Es la responsable de la mayor parte de la radiación que recibe la Tierra. Por encima de la fotosfera existe una capa de gases más fríos llamada capa de inversión. Después se encuentra la cromosfera, con una altura de unos Km, con los gases a una temperatura superior a los de la fotosfera y con una densidad menor. Envolviendo a todas estas capas está la corona, de bajísima densidad y alta temperatura: 1 millón de ºK, con un espesor de alrededor de un millón de kilómetros. En buenas condiciones de observación se comprueba que la superficie es granulosa. Los granos tienen un diámetro de 400 a 1.000km y una duración de vida de algunos minutos. También se observan periódicamente grandes remolinos en forma de manchas solares, que tienen miles de kilómetros; una de ellos, medido en 1.974, tenía km. de diámetro (un volumen superior a 30 Tierras) 77

8 Las manchas de Sol aparecen por ciclos, aumentando el número de año en año, hasta alcanzar una cúspide, durante cuyo tiempo el Sol queda ampliamente manchado. Luego declina esta incidencia hasta que por algunos años el Sol parece despejarse por completo. Estos ciclos se producen con once años de intervalo. En momentos de gran actividad ocurren erupciones de material que alcanzan cientos de miles de km. hacia arriba, invisibles a simple vista. Figura 3.6 Erupción solar Casi toda la materia del primitivo Sol era hidrógeno, formado por un protón y un electrón. En tanto se iba elevando la temperatura, estos protones, ya sin capa protectora, fueron chocando cada vez más con su ímpetu, hasta formarse unos núcleos con cuatro partículas: los núcleos de helio. Esta fusión del hidrógeno para formar helio libera una gran cantidad de energía (se trata del mismo proceso que tiene lugar en la bomba de hidrógeno, cuatro núcleos de hidrógeno se fusionan para formar un núcleo de helio, liberando eV) La formación de este verdadero torrente de energía requiere la formación de 630 millones de toneladas de helio por segundo para mantener la radiación solar. Pese a ello el Sol existe y brilla desde hace unos millones de años. En todo este tiempo sólo una mínima porción de su inmenso contenido se ha fusionado en helio. E incluso hoy en día muchísimo más de la mitad de la masa solar es hidrógeno y existe suficiente para mantener el ritmo actual durante otros millones de años, como mínimo, sin cambios significativos en su aspecto o en su comportamiento. Algunos matemáticos sostienen que debido al aumento de la temperatura interna el volumen y el brillo del Sol crecerán en el futuro, convirtiéndose finalmente en una estrella gigante roja que abrasará a sus planetas antes de convertirse en una enana, tan negra y fría como el espacio. La energía radiada por el Sol es de tipo electromagnético (infrarrojo, luz visible, ultravioleta) y también fotones. 78

9 Toda esta corriente de energía, al abandonar el Sol, se extiende y difumina radialmente por el espacio, abarcando una superficie esférica de unos billones de kilómetros cuadrados, de los que la Tierra supone una parte insignificante. Debido a la excentricidad de la órbita terrestre, la constante solar en el exterior de la atmósfera oscila entre 1.400w/m 2 el 4 de enero (máximo acercamiento o perihelio) y 1.309w/m 2 el 5 de julio (mínimo acercamiento o afelio) Sin embargo, del Sol nos llega más materia de lo que hasta ahora se había supuesto. No toda la materia arrojada hacia arriba desde su superficie vuelve al Sol. Una parte de la misma (como las finas gotas de mar llevadas a Tierra por el viento) deja al Sol y se propaga por el exterior en forma de tenues emisiones de protones y electrones. Es el viento solar. Cuando llegan al campo magnético de la Tierra, que forma una esfera protectora (perforada sólo en los polos) denominada Cinturón de Van Allen, dan lugar a las espectaculares auroras boreales. El viento solar no es constante. De vez en cuando se torna más intenso. Esto sucede principalmente en las épocas de mayor actividad de las manchas solares, hallándose asociado sobre todo con los destellos que se producen ocasionalmente al lado de una mancha solar durante una hora. Esta llamarada o protuberancia descarga una enorme rociada de partículas hacia el espacio, y si adopta la dirección de la Tierra, la nube de partículas invade nuestra atmósfera superior en menos de un día. Entonces, las auroras boreales son más resplandecientes y se produce lo que se llama una tormenta eléctrica. A parte de los protones y electrones, las reacciones de fusión que tienen lugar en el centro del Sol liberan también neutrinos, tan minúsculos y tan indiferentes a la materia ordinaria, que surgen del centro del Sol a la velocidad de la luz sin verse afectados en absoluto por la restante materia solar. Llegan a nosotros ocho minutos después de haberse formado, procedentes directamente del centro del Sol. Figura 3.7 Aurora boreal 79

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