Y se hace la luz (I): La grandiosidad cósmica
11/12/2016 3 comentarios
La existencia de luz la damos por descontado, pero nada sería como es, sin la continua producción de luz. La luz no se "hizo", como proclama la cita bíblica; se hace constantemente. ¿Por qué? ¿Qué fenómenos naturales provocan luz, y cuáles son sus causas? En esta primera parte os presento las fuentes de luz más intensas, relacionadas con nuestro planeta.
El avance más relevante que la humanidad ha llevado a cabo es la domesticación de la luz. Bien, quizá se podría discutir su posición en el ránking de importancia, pero seguro que estaría entre los avances más destacados. Aunque, cierto es, nuestros ritmos circadianos nos recuerdan que estamos muy condicionados por el ciclo lumínico diario, por lo que la domesticación es más tecnológica que biológica. Aun así, la disponibilidad de iluminación, a voluntad, nos permite tal abanico de actividades, que influye en todos los aspectos de nuestras vidas.
Es quizá por este motivo que prestamos relativamente poca atención a la luz natural, y de ahí que me proponga, en este artículo, revisar estas fuentes naturales de luz y, en concreto, las razones por las que estas fuentes existen.
Empecemos pues nuestra revisión de las fuentes de luz, con la fuente primaria, el Sol. Es un buen ejercicio intelectual, pensar acerca de la relevancia del astro rey. Tal como cuenta el célebre físico norteamericano Richard Feynman, en su libro “Are you joking, Mr. Feynman?”, fue su padre quien le hizo reflexionar sobre la importancia primaria del Sol. Quién sabe si esas reflexiones fueron el embrión de la gran obra científica de Feynman...
Ciertamente, cualquier fenómeno que ocurra a nuestro alrededor permite trazar su causa, su origen, hasta la acción del Sol. Sin dificultad. Por ejemplo, un gran salto de agua, como el de las Cataratas del Niágara, permiten aprovechar su energía para generar electricidad. Parecería entonces que esta fuente de energía no tiene relación con el Sol. Pero el agua del río Niágara proviene de regiones más elevadas, que alimentan el caudal gracias al ciclo del agua. Su evaporación es recogida en las zonas montañosas cuando llueve, e incluso cuando no, gracias a la humedad recogida por la noche. Y, evidentemente, el agua se evapora, y la humedad nocturna existe, gracias a la acción del Sol. Mejor dicho, gracias a la energía aportada por la luz del Sol. Y de forma parecida podríamos razonar, ante cualquier forma de aprovechar energía.
Estamos ya en condiciones de reflexionar con mayor profundidad. Empecemos:
¿Cómo se origina la luz del Sol?
La maquinaria de producción energética del Sol se basa, como es sabido, en la fusión nuclear. A temperaturas de millones de grados, núcleos de hidrógeno se fusionan para dar lugar a helio. En el proceso se libera una ingente cantidad de energía, en forma de radiación gamma, una de las radiaciones más energéticas que existen.
Sin embargo, no es esta radiación la que nos llega, puesto que la fusión nuclear sólo tiene lugar en el núcleo del Sol. A medida que nos alejamos del compacto interior de nuestra estrella, la temperatura disminuye y los continuos choques con el plasma solar disminuyen la energía de la radiación, hasta transformarla en luz visible, mayoritariamente, con una parte ultravioleta y una fracción importante de radiación infrarroja y de microondas. Podéis encontrar más detalles sobre la radiación electromagnética aquí.
Una partícula de luz, un fotón, emitido en el núcleo a partir de un proceso de fusión individual, tarda entre 10.000 y 170.000 años en llegar a la superficie del Sol, debido a que la ingente cantidad de choques le impide avanzar en línea recta. Sin embargo, una vez en la superficie, sólo tarda 8 minutos y 20 segundos en llegar a la Tierra. Aunque para el fotón el tiempo no pasa, efectos de la relatividad especial. En su camino de escape del Sol, el fotón pierde dos millonésimas partes de su energía, por efecto de la gravedad, aunque no pierde velocidad, puesto que se desplaza siempre a la velocidad de la luz.
Incandescencia
El fenómeno genérico por el que el Sol emite luz se conoce como incandescencia, es decir, la emisión de luz debido a la temperatura a la que se encuentra un determinado cuerpo. A mayor temperatura, mayor energía emitida por la radiación. Es un fenómeno universal, es decir, todos los cuerpos emiten radiación, todos. Nosotros mismos, por el hecho que nuestra temperatura corporal es de 36,5 ºC, emitimos unos 1000 watios de radiación. Sin embargo, nuestro entorno también emite radiación, y una parte es absorbida por nosotros. Una habitación que se encuentre a 25 ºC nos transmite unos 900 watios, por lo que el balance es que emitimos de forma neta unos 100 watios. Con el entorno a 25 ºC perdemos energía, de ahí que nos convenga llevar una cierta cantidad de ropa...
Este intercambio de energía incandescente entre la materia y la radiación siempre me ha fascinado. ¿Por qué emiten radiación los cuerpos por el hecho de estar a una cierta temperatura? La razón es interesante: por los choques entre moléculas. Mejor dicho, por las aceleraciones y desaceleraciones que sufren las moléculas, como consecuencia de los choques entre ellas. Puesto que la temperatura refleja la velocidad a la que se desplazan estos cuerpos microscópicos, cuanto mayor es la temperatura, más rápido se desplazan las moléculas, y mayor es la energía involucrada en los choques. Curiosamente, cuando la radiación electromagnética “choca” contra los átomos o moléculas, provoca un tipo de movimiento muy parecido a lo que ocurre en las aceleraciones y desaceleraciones, es decir, una vibración interior, al menos temporalmente.
Como es sabido, la luz de las estrellas tiene el mismo origen que la luz solar, sólo que las estrellas están mucho más lejos. Puesto que la luz tarda tiempo en viajar a través del espacio (no para ella, repito), el momento de la emisión es siempre mucho más temprano que cuando vemos esa luz. El universo tiene una antigüedad aproximada de 13.800 millones de años —una cifra que se escapa de nuestra comprensión—, por lo que la luz que fue emitida hace ese tiempo corresponde al momento inicial del universo. Aunque hay voces discrepantes sobre esa afirmación, relacionada con la evolución del universo desde una pequeña masa increíblemente densa y caliente. Razonan que la distorsión del tiempo, cuando la gravedad es mucho más intensa, es tan grande que la cifra podía ser muy errónea.
La aurora boreal
La actividad solar es espectacular, aunque no la podemos apreciar a simple vista, obviamente. Cada cierto tiempo tienen lugar las denominadas eyecciones de masa coronaria en las que se expulsan millones de toneladas de partículas, a millones de kilómetros por hora. Estas eyecciones conforman el denominado viento solar, en forma de tormenta de materia que se aleja del Sol en todas direcciones.
La Tierra está protegida contra este viento solar. El campo magnético terrestre se extiende centenares de miles de kilómetros más allá del planeta y es capaz de desviar la tormenta de partículas. Sin embargo, cada cierto tiempo las eyecciones de masa coronaria son mucho más intensas, hasta el punto que la tormenta solar es capaz de atravesar el escudo magnético exterior de la Tierra.
La penetración de la tormenta de protones, electrones y otras partículas la lleva hasta los escudos interiores. Estos no desvían completamente el viento solar fuera del planeta, pero lo dirigen hacia los polos, generando uno de los fenómenos de luz más espectaculares: la aurora, tanto boreal como austral.
Luminiscencia
Las tenues cortinas, principalmente verdosas y difusas, capaces de secuestrar por completo nuestra atención, surgen entonces de las colisiones entre las partículas eléctricas del viento solar y los iones, átomos y moléculas de oxígeno y nitrógeno, los componentes principales de la atmósfera a unos 80 kilómetros de altitud.
El detalle de estos choques involucra dos etapas. En la primera, estas especies capturan parte de la energía de cada choque: incrementan su energía interior —la de los electrones más externos de los iones, átomos o moléculas—, y en la segunda se desprenden de ella en forma de luz. Las dos etapas son extraordinariamente rápidas: ocurren en menos de un femtosegundo, es decir, una milbillonésima de segundo o, si quereis, 10–15 segundos.
Esta luz emitida es la aurora.
Los colores verde y rojo son debidos a emisión de luz por parte del oxígeno, mientras que los colores azul y rojo aparecen debido al nitrógeno. El color dominante es el verde, debido a un hecho curioso con la emisión de este color: la luz tarda un cierto tiempo, entre uno y dos centenares de segundos, en ser emitida, después de cada choque. En términos atómicos, esta emisión es extraordinariamente lenta y justifica el aspecto y durabilidad de la aurora.
Como aquel que no ha querido la cosa, acabamos de ver un mecanismo de emisión de luz diferente a la incandescencia. La emisión no se produce por calentamiento de la materia, sino por choques individuales. Es el fundamento de la luminiscencia, también conocida como emisión fría de luz.
Así como la incandescencia es universal, la luminiscencia es selectiva: sólo las especies químicas que reciben un impacto, de la energía adecuada, emiten luz. Así como el color de la incandescencia refleja la temperatura, en la luminiscencia no existe esa correspondencia, y substancias diferentes, a la misma temperatura, pueden emitir colores diferentes.
En resumen, la incandescencia se da siempre que tengamos cuerpos calientes. La luminiscencia es mucho más huidiza, pero allí donde tiene lugar, nos sorprende hasta el límite.
No se terminan aquí, los fenómenos naturales grandiosos. Veamos unos cuantos más, en los que la luz producida surge a partir de incandescencia, de luminiscencia, o de los dos fenómenos a la vez.
¡Rayos, truenos, y... volcanes!
La energía eléctrica que acumulan las nubes, por la electricidad estática que genera su crecimiento, es enorme. Ya nos lo parece, ya, cuando las tormentas nos envían sus señales visuales y sonoras, los agradables rayos y truenos. Las estimaciones nos dicen que cada segundo caen, en todo el planeta, unos 40 rayos, es decir, más de tres millones al día.
La acumulación de electricidad estática establece una tensión eléctrica entre las nubes y el suelo, tensión que es sufrida por cada átomo o molécula que se encuentre emparedado entre ellos. Podemos visualizar esta tensión de forma sencilla, pensando que, en el interior de una molécula, los electrones, negativos, se intentan desplazar en un sentido, y los núcleos, positivos, en sentido contrario. Esta tensión acaba escindiendo los enlaces químicos, o bien arrancando electrones y formando iones, es decir, substancias con carga eléctrica neta. El recorrido de un rayo es entonces el camino que ha seguido la producción de cargas eléctricas, entre la nube y el suelo.
Una vez la nube y el suelo quedan unidos por ese camino iónico, de tan sólo un centímetro de grosor, le sigue una descarga masiva de la electricidad estática, de tal intensidad que la temperatura, en el interior del rayo, puede llegar a 50.000 grados, todo ello en unos 0,2 segundos de duración de la descarga. Las partículas viajan en su interior a mil kilómetros por segundo.
Ello implica un calentamiento casi instantáneo del aire que rodea al rayo, provocando una explosión que oímos como trueno. El trueno sería un sonido seco y de muy corta duración, si el rayo fuese un objeto puntual. Su gran longitud provoca que nos lleguen explosiones desde diferentes porciones del rayo, y de ahí que un trueno sea una sucesión reverberante de ruido.
La luz que proviene de un rayo se debe, por tanto, al fulgurante calentamiento del camino iónico. Se trata por tanto de una manifestación, muy intensa, de incandescencia. Los rayos son blancos, entonces, precisamente por las elevadas temperaturas a las que se llega en su interior.
La fotografía nos muestra algunos de estos rayos, pero en una situación un tanto extraña. Son rayos que surgen de nubes de tormenta, junto con... la erupción de un volcán.
Las expulsiones de lava y cenizas de los volcanes incluyen una conocida emisión de luz, la de la lava. Esta masa fundida, rojiza, nos indica que la materia que la compone se encuentra a una elevada temperatura. Por lo común, ésta es de unos miles de grados en el interior del volcán, que disminuye a poco más de mil, o incluso menos, cuando la lava se desplaza montaña abajo. La lava emite luz, por tanto, por incandescencia.
El principal peligro de las erupciones volcánicas, además de la lava, lo constituyen los millones de toneladas de cenizas que suelen ser expulsadas en los instantes principales de la erupción. Las cenizas son sólidos de pequeño tamaño, que pueden cargarse muy fácilmente de electricidad estática. De ahí que se puedan producir rayos con facilidad, entre diferentes partes de la columna de cenizas, y cómo no entre las nubes y las cenizas, como muestra la figura.
Si ya son sobrecogedores los dos fenómenos por separado, imaginemos que ocurren a la vez...
Terremotos
En una revisión de fenómenos naturales, como la del presente artículo, no podrían faltar los terremotos, los sucesos que ponen una mayor cantidad de energía en juego en la superficie de la Tierra.
Sin embargo, se podría objetar que los terremotos no emiten luz, y por tanto no deben aparecer aquí. Pero todo parece indicar que no es cierto. En los terremotos, o al menos en un buen número de ellos, se pueden producir emisiones esporádicas de luz.
La fotografía fue tomada durante un movimiento sísmico que tuvo lugar, a principios de los años 70 del siglo XX, en el Lago Tagish, en el territorio Yukón de Canadá. Aparecen cuatro esferas brillantes, a media altura de la falda de la montaña, junto con algunas esferas más pequeñas, a altitudes mayores, que en la fotografía se han indicado mediante flechas.
Estas intrigantes observaciones no son muy frecuentes, pero sí lo suficiente como para tomarlas en consideración. Algunas de las luces, explican testigos, se han producido antes del seísmo, por lo que podría utilizarse como fenómeno predictivo. Recientemente, un grupo de investigación liderado por Robert Thériault, del Ministerio de Recursos Naturales de Canadá, ha publicado un artículo en la revista Seismological Research Letters, en el que analiza casi cuarenta casos de emisión de luz en terremotos. La conclusión principal es que estos sucesos tienden a ocurrir en terremotos localizados en zonas de ruptura.
El mecanismo por el que se producen estas emisiones bruscas de luz es todavía especulativo. Se cree que las fracturas, en la estructura de los minerales del interior de la corteza terrestre, son capaces de acumular una gran cantidad de cargas que, durante las fases iniciales de las ondas sísmicas, en el interior de la corteza, pueden propagarse en forma de impulso súbito, se abren paso a través de las grietas geológicas, y emergen a la superficie. Si futuros estudios lo confirman, será una sofisticada emisión de luz debido a la triboluminiscencia, una de las formas de luminiscencia en sólidos, que veremos con más detalle en la segunda parte de esta serie de artículos.
Resumiendo, entonces, hemos visto hasta ahora diversas manifestaciones de luz, de ámbito planetario. Por supuesto, faltan unas cuantas, entre ellas el fuego. He preferido dejar este elemento aristotélico para la segunda parte, puesto que el fuego proviene sobre todo de la combustión, pero combustiones hay muchas, y sorprendentes...
